उबलते चीनी के घोल को गर्म करने वाले टाइटेनियम हीटर के लिए, अधिकतम ताप प्रवाह को बर्नआउट पॉइंट द्वारा सीमित क्यों किया जाता है, संक्षारण दर को नहीं?

उबलते चीनी के घोल (सुक्रोज या ग्लूकोज सिरप) में टाइटेनियम विसर्जन हीटर का उपयोग करने वाले एक प्रोसेस इंजीनियर के लिए, प्राप्त किया जा सकने वाला सबसे बड़ा ताप प्रवाह बर्नआउट बिंदु (क्रिटिकल हीट फ्लक्स, सीएचएफ) द्वारा सीमित होता है, न कि टाइटेनियम की संक्षारण दर द्वारा। चीनी के घोल बहुत चिपचिपे होते हैं, उनकी सतह का तनाव अधिक होता है और उच्च तापमान पर कैरामेलाइज़ हो जाते हैं। उबलते चीनी के घोल में टाइटेनियम हीटर के लिए सीएचएफ (40{4}}60 डिग्री ब्रिक्स) आमतौर पर पानी की तुलना में 30-50% कम है - पानी के लिए 12-15 डब्लू/सेमी2 की तुलना में लगभग 6-10 डब्लू/सेमी2। इस CHF के ऊपर, फिल्म उबलती है और हीटर की सतह पर एक स्थिर वाष्प परत बनती है। वाष्प की परत हीटर को इन्सुलेट करती है, और सतह का तापमान तेजी से (200-300 डिग्री तक) बढ़ जाता है और कैरामलाइज़ हो जाता है, जल जाता है और जल जाता है। चीनी के घोल में टाइटेनियम की संक्षारण दर बहुत कम है (< 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.

चीनी का घोल कैसे जलता है?
क्रिटिकल हीट फ्लक्स (सीएचएफ) अधिकतम ताप प्रवाह है जिस पर न्यूक्लियेट उबलने से फिल्म उबलने तक संक्रमण होता है। न्यूक्लियेट उबलने में, बुलबुले स्थानों पर न्यूक्लियेट होते हैं, अलग हो जाते हैं और ऊपर चढ़ जाते हैं। चीनी के घोल की उच्च चिपचिपाहट (10-100× पानी) और सतह तनाव (1.2-1.5× पानी) से बुलबुला पृथक्करण दब जाता है। बुलबुले बड़े होते हैं और सतह पर अधिक समय तक टिके रहते हैं, जिससे वाष्प फिल्म में जल्दी सहवास को बढ़ावा मिलता है। वाष्प फिल्म स्थिर हो जाती है और सतह का तापमान पानी की तुलना में कम ताप प्रवाह पर बढ़ जाता है। उच्च तापमान के कारण चीनी कारमेलाइज़ हो जाती है (160 डिग्री से अधिक) जिससे एक मजबूत इन्सुलेटिंग कार्बोनेसियस कोटिंग उत्पन्न होती है। जमाव सतह को और अधिक इन्सुलेशन प्रदान करता है, जिससे तापमान > 300 डिग्री तक बढ़ जाता है जहां टाइटेनियम ऑक्सीकरण हो जाता है और हीटर जल जाता है। चीनी के घोल (पीएच 5-7, 100-120 डिग्री) में टाइटेनियम की संक्षारण दर 0.01 मिमी/वर्ष से कम है और 1.5 मिमी की दीवार अकेले संक्षारण से > 150 वर्ष तक चलेगी।

चीनी समाधान बनाम पानी में CHF और बर्नआउट के जोखिम को मापना
द्रव सांद्रण (ब्रिक्स)चिपचिपापन @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) स्मूथ Ti CHF (W/cm2) बर्नआउट सीमा अनुशंसित अधिकतम। ऑपरेटिंग फ्लक्स (W/cm2)
पानी 0 0.28 12-15 15-18 सीएचएफ 8-10
चीनी का घोल 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 कारमेलाइज़ 4-6
चीनी का घोल 60 80 4-6 6-8 कारमेलाइजेशन 3-4
चीनी का घोल 70 (केंद्रित) 200 2-3 3-4 कारमेलाइजेशन 1.5-2 कारमेलाइज्ड डिपॉजिट (बर्नआउट के बाद) एन/एएन/ए <1 एन/ए डिपॉजिट एन/ए
चीनी घोल को गर्म करना: एक परिदृश्य आधारित मार्गदर्शिका
चीनी घोल की सांद्रता डिग्री ब्रिक्सऑपरेटिंग तापमान (सी) सुझाए गए अधिकतम ताप प्रवाह (डब्ल्यू/सेमी2) अपेक्षित टाइटेनियम संक्षारण दर (मिमी/वर्ष) सीमित कारक
20 100 6-8 <0.005 सीएचएफ (बर्न-आउट)
40 105 4-6 < 0.005 कैरामेलाइजेशन {{2 }} < 0.005 कैरामेलाइजेशन {{4 }} < 0.005 कैरामेलाइजेशन {{6 }} < 0.005 चिपचिपापन (प्रवाह आवश्यक)
चीनी पतला करें (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
किसी भी मजबूर परिसंचरण एकाग्रताकोई भी 2× मान से ऊपर <0.005 प्रवाह सीएचएफ बढ़ जाता है
चीनी समाधानों में CHF में सुधार के लिए इंजीनियरिंग शमन
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 डिग्री ब्रिक्स)। एक चिकनी सतह कारमेलाइज्ड जमाओं के आसंजन को कम कर देती है, जो जमाव के जमा होने से अधिक गर्मी होने से पहले हीटर को उच्च ताप प्रवाह पर काम करने में सक्षम बनाता है।

निष्कर्ष: बर्नआउट (सीएचएफ) हीट फ्लक्स को सीमित करता है, चीनी समाधानों में संक्षारण दर को नहीं
उबलते चीनी के घोल को गर्म करते समय टाइटेनियम हीटर के लिए अधिकतम ताप प्रवाह बर्नआउट बिंदु (महत्वपूर्ण ताप प्रवाह) द्वारा सीमित होता है, न कि टाइटेनियम की संक्षारण दर से। चीनी के घोल टाइटेनियम के प्रति गैर संक्षारक होते हैं (पीएच 5-7, संक्षारण दर <0.01 मिमी/वर्ष) और अकेले संक्षारण के कारण सेवा जीवन 100 वर्ष से अधिक हो सकता है। हालाँकि, चीनी के घोल की उच्च चिपचिपाहट और सतह तनाव पानी के लिए CHF को 12-15 W/cm² के मुकाबले 4-10 W/cm² (एकाग्रता के आधार पर) तक कम कर देता है। सीएचएफ के ऊपर ऑपरेशन के परिणामस्वरूप फिल्म उबलती है, सतह का तापमान 200-300 डिग्री तक बढ़ जाता है, कारमेलाइजेशन, जलना और जल जाना। 40-60 डिग्री ब्रिक्स के चीनी समाधान के लिए, वायुमंडलीय उबलने के लिए अधिकतम ताप प्रवाह 3-6 W/cm^2 की सलाह दी जाती है। जब बढ़े हुए ताप प्रवाह की आवश्यकता होती है, तो खुरदरी या पॉलिश की गई सतहें मजबूर परिसंचरण के साथ CHF को 20-100% तक बढ़ा सकती हैं। उदाहरण के लिए, चीनी समाधान सेवा में टाइटेनियम हीटर का उपयोग करते समय, आपूर्तिकर्ता को सीएचएफ की भविष्यवाणी करने और बर्नआउट को रोकने के लिए सतह के उपचार को चुनने के लिए समाधान की एकाग्रता, अनुमानित प्रवाह की स्थिति और आवश्यक शक्ति घनत्व जानने की आवश्यकता होती है।