สำหรับเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมที่ให้ความร้อนกับสารละลายน้ำตาลเดือด เหตุใดฟลักซ์ความร้อนสูงสุดจึงถูกจำกัดด้วยจุดเหนื่อยหน่าย ไม่ใช่อัตราการกัดกร่อน

สำหรับวิศวกรกระบวนการที่ใช้เครื่องทำความร้อนแบบแช่ไทเทเนียมในสารละลายน้ำตาลเดือด (ซูโครสหรือน้ำเชื่อมกลูโคส) ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่อาจได้รับจะถูกจำกัดโดยจุดเหนื่อยหน่าย (ฟลักซ์ความร้อนวิกฤติ CHF) และไม่ใช่โดยอัตราการกัดกร่อนของไทเทเนียม สารละลายน้ำตาลมีความหนืดสูง มีแรงตึงผิวสูง และมีแนวโน้มที่จะเกิดคาราเมลที่อุณหภูมิสูงกว่า CHF สำหรับเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมในสารละลายน้ำตาลเดือด (40-60 องศาบริกซ์) โดยทั่วไปจะต่ำกว่าในน้ำประมาณ 6-10 วัตต์/ซม.2 ประมาณ 30-50% เมื่อเทียบกับ 12-15 วัตต์/ซม.2 สำหรับน้ำ เหนือ CHF นี้ ฟิล์มเดือดจะเกิดขึ้นและเกิดชั้นไอที่เสถียรที่พื้นผิวเครื่องทำความร้อน ชั้นไอจะป้องกันเครื่องทำความร้อน และอุณหภูมิพื้นผิวจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว (ถึง 200-300 องศา ) และเกิดคาราเมล ถ่าน และไหม้ อัตราการกัดกร่อนของไทเทเนียมในสารละลายน้ำตาลต่ำมาก (< 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.

สารละลายน้ำตาลหมดไปอย่างไร
ฟลักซ์ความร้อนวิกฤต (CHF) คือฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่เกิดการเปลี่ยนจากการเดือดแบบนิวเคลียสเป็นการเดือดแบบฟิล์ม ในการเดือดด้วยนิวเคลียส ฟองอากาศจะเกิดนิวเคลียสที่จุดต่างๆ แยกออกจากกันและลอยขึ้น การหลุดออกของฟองสบู่ถูกระงับโดยความหนืดสูง (10-100× น้ำ) และแรงตึงผิว (1.2-1.5× น้ำ) ของสารละลายน้ำตาล ฟองอากาศมีขนาดใหญ่กว่าและคงอยู่บนพื้นผิวได้นานขึ้น กระตุ้นให้รวมตัวกันเป็นฟิล์มไอ ฟิล์มไอระเหยจะคงตัวและอุณหภูมิพื้นผิวจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีการไหลของความร้อนต่ำกว่าในน้ำ อุณหภูมิสูงทำให้น้ำตาลคาราเมล (มากกว่า 160 องศา) ทำให้เกิดการเคลือบคาร์บอนที่เป็นฉนวนที่แข็งแกร่ง คราบสะสมนี้จะหุ้มฉนวนพื้นผิวเพิ่มเติม โดยเพิ่มอุณหภูมิเป็น > 300 องศา โดยที่ไททาเนียมออกซิไดซ์และเครื่องทำความร้อนจะไหม้ อัตราการกัดกร่อนของไทเทเนียมในสารละลายน้ำตาล (pH 5-7, 100-120 องศา) น้อยกว่า 0.01 มม./ปี และผนัง 1.5 มม. จะมีอายุการใช้งาน > 150 ปีนับจากการกัดกร่อนเพียงอย่างเดียว

การวัดความเสี่ยงของ CHF และความเหนื่อยหน่ายในสารละลายน้ำตาลเทียบกับน้ำ
ความเข้มข้นของของไหล (Brix)ความหนืด @ 100°C (cP) CHF (W/cm2) Smooth Ti CHF (W/cm2) ขีดจำกัดการเผาไหม้ ที่แนะนำ สูงสุด ฟลักซ์ปฏิบัติการ (W/cm2)
น้ำ 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
สารละลายน้ำตาล 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 คาราเมล 4-6
สารละลายน้ำตาล 60 80 4-6 6-8 การคาราเมล 3-4
สารละลายน้ำตาล 70 (เข้มข้น) 200 2-3 3-4 การคาราเมล 1.5-2 คราบคาราเมล (หลังจากเหนื่อยหน่าย) N/AN/A < 1 N/A เงินฝาก N/A
การทำความร้อนสารละลายน้ำตาล: คู่มือตามสถานการณ์
ความเข้มข้นของสารละลายน้ำตาล องศา Brix อุณหภูมิในการทำงาน (C) ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่แนะนำ (W/cm2) อัตราการกัดกร่อนของไทเทเนียมที่คาดหวัง (มม./ปี) ปัจจัยจำกัด
20 100 6-8 < 0.005 CHF (เหนื่อยหน่าย-)
40 105 4-6 < 0.005 การชุบคาราเมล 50 110 3-4 < 0.005 การชุบคาราเมล 60 115 2-3 < 0.005 การชุบคาราเมล 70 120 1.5-2 < 0.005 ความหนืด (ต้องไหล)
น้ำตาลเจือจาง (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
ความเข้มข้นของการไหลเวียนที่ถูกบังคับใดๆ ที่สูงกว่าค่าใดๆ 2× < 0.005 การไหลเพิ่มขึ้น CHF
การบรรเทาผลกระทบทางวิศวกรรมเพื่อปรับปรุง CHF ในสารละลายน้ำตาล
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 องศาบริกซ์) พื้นผิวเรียบลดการเกาะตัวของคราบคาราเมล ซึ่งช่วยให้เครื่องทำความร้อนทำงานที่ฟลักซ์ความร้อนที่สูงขึ้น ก่อนที่คราบสะสมจะทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป

สรุป: ความเหนื่อยหน่าย (CHF) จำกัดฟลักซ์ความร้อน ไม่ใช่อัตราการกัดกร่อนในสารละลายน้ำตาล
ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดสำหรับเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมในขณะที่ให้ความร้อนแก่สารละลายน้ำตาลเดือดจะถูกจำกัดโดยจุดเหนื่อยหน่าย (ฟลักซ์ความร้อนวิกฤต) และไม่ใช่ด้วยอัตราการกัดกร่อนของไทเทเนียม สารละลายน้ำตาลไม่-กัดกร่อนไทเทเนียม (pH 5-7 อัตราการกัดกร่อน < 0.01 มม./ปี) และอาจส่งผลให้มีอายุการใช้งาน > 100 ปี เนื่องจากการกัดกร่อนเพียงอย่างเดียว อย่างไรก็ตาม ความหนืดสูงและแรงตึงผิวของสารละลายน้ำตาลจะลด CHF ลงเหลือ 4-10 วัตต์/ซม.² (ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น) เทียบกับ 12-15 วัตต์/ซม.² สำหรับน้ำ การดำเนินการเหนือ CHF ส่งผลให้ฟิล์มเดือด อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นเป็น 200-300 องศา ทำให้เกิดคาราเมล ไหม้เกรียม และไหม้เกรียม สำหรับสารละลายน้ำตาลที่มีอุณหภูมิ 40-60 บริกซ์ ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่แนะนำสำหรับการต้มในบรรยากาศคือ 3-6 วัตต์/ซม.^2 เมื่อต้องการเพิ่มฟลักซ์ความร้อน พื้นผิวที่หยาบหรือขัดเงาจะสามารถเพิ่ม CHF ได้ 20-100% โดยมีการหมุนเวียนแบบบังคับ ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้เครื่องทำความร้อนไทเทเนียมในการให้บริการสารละลายน้ำตาล ซัพพลายเออร์จำเป็นต้องทราบความเข้มข้นของสารละลาย สภาวะการไหลที่คาดการณ์ไว้ และความหนาแน่นของพลังงานที่จำเป็น เพื่อคาดการณ์ CHF และเลือกการรักษาพื้นผิวเพื่อป้องกันการเหนื่อยหน่าย