Waarom wordt bij een titaniumverwarmer die een kokende suikeroplossing verwarmt, de maximale warmtestroom beperkt door het burn-outpunt en niet door de corrosiesnelheid?

Voor een procesingenieur die een titanium dompelverwarmer gebruikt in een kokende suikeroplossing (sucrose of glucosestroop), wordt de grootste warmteflux die kan worden bereikt beperkt door het burn-outpunt (kritische warmteflux, CHF) en niet door de corrosiesnelheid van titanium. Suikeroplossingen zijn zeer stroperig, hebben een hoge oppervlaktespanning en hebben de neiging te karameliseren bij hogere temperaturen. De CHF voor een titaniumverwarmer in een kokende suikeroplossing (40-60 graden Brix) is doorgaans 30-50% lager dan in water - ongeveer 6-10 W/cm2 vergeleken met 12-15 W/cm2 voor water. Boven deze CHF vindt filmkoken plaats en wordt een stabiele damplaag gevormd op het verwarmingsoppervlak. De damplaag isoleert de verwarmer en de oppervlaktetemperatuur stijgt snel (tot 200-300 graden) en karamelliseert, verkoolt en verbrandt. De corrosiesnelheid van titanium in suikeroplossingen is zeer laag (< 0.01 mm/year) even at high temperature. This is because sugar solutions are neutral (pH 5-7) and non-corrosive. The limiting factor is thermal, not chemical.

Hoe suikeroplossingen opbranden
De kritische warmteflux (CHF) is de maximale warmteflux waarbij de overgang van kernkoken naar filmkoken plaatsvindt. Bij kernkoken vormen de bellen zich op de plekken, scheiden zich en stijgen op. Het loslaten van bellen wordt onderdrukt door de hoge viscositeit (10-100× water) en oppervlaktespanning (1,2-1,5× water) van suikeroplossingen. Bellen zijn groter en blijven langer aan het oppervlak, waardoor vroegtijdige coalescentie tot een dampfilm wordt bevorderd. De dampfilm stabiliseert en de oppervlaktetemperatuur stijgt bij een lagere warmtestroom dan in water. De hoge temperatuur zorgt ervoor dat de suiker karameliseert (meer dan 160 graden), waardoor een sterk isolerende koolstofhoudende laag ontstaat. De afzetting isoleert het oppervlak verder, waardoor de temperatuur stijgt tot> 300 graden, waarbij titanium oxideert en de verwarming doorbrandt. De corrosiesnelheid van titanium in suikeroplossingen (pH 5-7, 100-120 graden) is minder dan 0,01 mm/jaar en een wand van 1,5 mm zou alleen al door corrosie > 150 jaar meegaan.

Meten van het risico op CHF en burn-out in suikeroplossingen versus water
Vloeistofconcentratie (Brix)Viscositeit @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Glad Ti CHF (W/cm2) Burn-outlimiet Aanbevolen Max. Bedrijfsstroom (W/cm2)
Water 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Suikeroplossing 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Karameliseer 4-6
Suikeroplossing 60 80 4-6 6-8 Karamelisatie 3-4
Suikeroplossing 70 (geconcentreerd) 200 2-3 3-4 Karamelisatie 1,5-2 Gekarameliseerde afzetting (na burn-out) N/AN/A < 1 N/A Deposit N/A
Verwarming van suikeroplossingen: een op scenario's gebaseerde gids
Concentratie van suikeroplossing graad Brix Bedrijfstemperatuur (C) Aanbevolen maximale warmtestroom (W/cm2) Verwachte snelheid van titaniumcorrosie (mm/jaar) Beperkende factor
20 100 6-8 < 0,005 CHF (burn-out-)
40 105 4-6 < 0,005 Karamelisatie 50 110 3-4 < 0,005 Karamelisatie 60 115 2-3 < 0,005 Karamelisatie 70 120 1.5-2 < 0,005 Viscositeit (stroom vereist)
Verdunde suiker (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Elke concentratie van geforceerde circulatieElke 2× bovenstaande waarden < 0,005 Flow stijgt CHF
Technische maatregelen om de CHF in suikeroplossingen te verbeteren
Three mitigations increasing CHF for heating of sugar solution when higher heat flow is necessary. The first mitigation is through forced circulation (pumping) over the heater surface. An increase in flow velocity from 0.5 to 1.0 m/s increases CHF by 50 to 100%. It sweeps away bubbles before they cluster. In a 40° Brix sugar solution forced circulation enhances CHF from 6 W/cm² to 10-12 W/cm². The second mitigation is the roughened heating surface. The density of nucleation sites is increased by sandblasting or milling the grooves, which promotes bubble separation and retards film boiling. The roughened titanium surface (Ra 2–3 µm) is used for enhanced CHF in sugar solutions (20–30 %). The third mitigation is a polished surface (Ra < 0.2 µm) for sugar at high concentration (>60 graden Brix). Een glad oppervlak vermindert de hechting van gekarameliseerde afzettingen, waardoor de verwarmer met een hogere warmtestroom kan werken voordat de afzetting van afzettingen tot oververhitting leidt.

Conclusie: Burn-out (CHF) beperkt de warmtestroom, niet de corrosiesnelheid in suikeroplossingen
De maximale warmteflux voor een titaniumverwarmer tijdens het verwarmen van een kokende suikeroplossing wordt beperkt door het burn-outpunt (kritische warmteflux) en niet door de corrosiesnelheid van titanium. Suikeroplossingen zijn niet-corrosief voor titanium (pH 5-7, corrosiesnelheid < 0,01 mm/jaar) en kunnen alleen al door corrosie resulteren in een levensduur van > 100 jaar. De hoge viscositeit en oppervlaktespanning van suikeroplossingen reduceert de CHF echter tot 4-10 W/cm² (afhankelijk van de concentratie) tegenover 12-15 W/cm² voor water. Werking boven de CHF resulteert in het koken van de film, stijging van de oppervlaktetemperatuur tot 200-300 graden, karamellisatie, verkoling en burn-out. Voor suikeroplossingen met een Brix-waarde van 40-60 graden bedraagt ​​de maximale warmteflux die wordt geadviseerd voor atmosferisch koken 3-6 W/cm^2. Wanneer een verhoogde warmtestroom nodig is, kunnen opgeruwde of gepolijste oppervlakken de CHF met 20-100% verhogen bij geforceerde circulatie. Wanneer u bijvoorbeeld een titaniumverwarmer gebruikt voor de service voor suikeroplossingen, moet de leverancier de concentratie van de oplossing, de voorspelde stroomomstandigheden en de benodigde vermogensdichtheid kennen om de CHF te voorspellen en de oppervlaktebehandeling te kiezen om burn-out te voorkomen.