เฟลมพลาสมา
การปรับสภาพด้วยเปลวไฟเป็นวิธีการปรับสภาพในเฟสก๊าซ ซึ่งการเผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนภายใต้สภาวะควบคุมจะสร้างเฟลมพลาสมาที่ดัดแปรพื้นผิววัสดุรองรับ โดยไม่กระทบต่อสมบัติเนื้อในของพอลิเมอร์ การเกิดออกซิเดชันของผิวพอลิเมอร์จากการปรับสภาพด้วยเปลวไฟเกิดขึ้นผ่านกระบวนการทางกายภาพหลายอย่าง ได้แก่ การเผาไหม้แบบเอกพันธ์ของสารตั้งต้นที่ผสมล่วงหน้า การลำเลียงผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ไปยังผิวพอลิเมอร์ และปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ระหว่างผลิตภัณฑ์จากเปลวไฟกับพอลิเมอร์ อุณหภูมิเปลวไฟแบบอะเดียแบติกอยู่ที่ประมาณ 3,300°F (1,816°C) กลไกของการปรับสภาพด้วยเปลวไฟคือการเผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนอย่างมีการควบคุมเพื่อสร้างเฟลมพลาสมา เปลวไฟราบเรียบแบบผสมล่วงหน้าให้ปฏิกิริยาคายความร้อน อัตราส่วนที่แน่นอนของตัวออกซิไดซ์ต่อเชื้อเพลิงที่จำเป็นต่อการเผาไหม้สมบูรณ์เรียกว่าอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริก ที่การเผาไหม้สโตอิชิโอเมตริกจะไม่มีออกซิเจนหรือเชื้อเพลิงส่วนเกิน อัตราส่วนนี้อยู่ที่ประมาณ 10:1 สำหรับก๊าซธรรมชาติ และ 24:1 สำหรับโพรเพน
เปลวไฟคือส่วนผสมของเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์ที่ผสมเข้ากันอย่างทั่วถึงก่อนการเผาไหม้ อัตราส่วนโมลของเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์น่าจะเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในกระบวนการปรับสภาพด้วยเปลวไฟ สำหรับก๊าซธรรมชาติ สมการต่อไปนี้อธิบายปฏิกิริยาการเผาไหม้:
CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + เฟลมพลาสมา
ตัวแปรควบคุมกระบวนการหลักสามประการคือ เคมีของเปลวไฟ ระยะห่างของวัสดุรองรับจากเปลวไฟ และเวลาที่สัมผัสในการปรับสภาพ ในระบบการเผาไหม้ เปลวไฟคือคลื่นความเร็วต่ำกว่าเสียงซึ่งมีความเร็วลักษณะเฉพาะเรียกว่าความเร็วเปลวไฟราบเรียบ นิยามว่าเป็นความเร็วที่ก๊าซซึ่งยังไม่เผาไหม้เคลื่อนผ่านคลื่นการเผาไหม้ในทิศตั้งฉากกับผิวคลื่น โปรไฟล์เปลวไฟราบเรียบประกอบด้วยสามโซน ได้แก่ โซนรีดักชัน โซนเรืองแสง และโซนหลังการเผาไหม้ แต่ละโซนมีเกรเดียนต์อุณหภูมิและสปีชีส์เคมีที่ว่องไวแตกต่างกัน ตำแหน่งของชิ้นงานที่เคลื่อนผ่านเปลวไฟจึงมีความสำคัญยิ่งและต้องแม่นยำ เพื่อให้ได้การเปียกผิวและการสร้างหมู่ฟังก์ชันสูงสุด
การปรับสภาพที่เหมาะสมที่สุด คือการออกซิไดซ์ในโซนเรืองแสงของปฏิกิริยาหลักหรือโซนออกซิไดซ์ ซึ่งเป็นบริเวณที่ร้อนที่สุดของเปลวไฟ โดยอุณหภูมิของระบบการเผาไหม้สูงถึงประมาณ 1,700°C สำหรับก๊าซธรรมชาติ และ 1,900 ถึง 2,000°C สำหรับส่วนผสมที่ใช้โพรเพน ในโซนนี้ ปริมาณสปีชีส์อนุมูลอิสระที่ว่องไว รวมถึงไฮดรอกซิล คาร์บอนิล คาร์บอกซิล อีเทอร์ และเอสเทอร์ จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลง ความเข้มข้นสูงของอนุมูลทำให้บริเวณนี้มีสภาพออกซิไดซ์รุนแรง ตรงข้ามกับโซนรีดักชัน
สีของโซนนี้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศ เมื่อส่วนผสมมีก๊าซน้อย จะเกิดการแผ่รังสีสีน้ำเงินอมม่วงเข้มจากอนุมูล CH ที่ถูกกระตุ้น และเปลวไฟจะเกือบโปร่งใสหากลดปริมาณก๊าซลงเรื่อย ๆ เมื่อส่วนผสมมีก๊าซมาก จะปรากฏการแผ่รังสีสีเขียวจากโมเลกุล C2 ที่ถูกกระตุ้น และหากเพิ่มก๊าซในส่วนผสมมากขึ้นอีก การแผ่รังสีจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองเนื่องจากอนุภาคคาร์บอนที่เกิดขึ้น เคมีของเปลวไฟที่เหมาะสมคือเคมีที่ให้ความเข้มข้นออกซิเจนในเฟลมพลาสมาหลังปฏิกิริยาการเผาไหม้อยู่ที่ 0.1% ถึง 0.5%
ระยะห่าง หรือตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดของวัสดุรองรับจากเปลวไฟ ซึ่งอยู่เหนือโซนรีดักชันก่อนการเผาไหม้เล็กน้อย โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 3/8 นิ้ว ถึง 1/2 นิ้ว (9.5 mm ถึง 12.7 mm) ส่วนของเปลวไฟที่ทำหน้าที่ปรับสภาพจริงยื่นออกไปประมาณ 1½ นิ้ว (38.1 mm) เลยปลายเปลวไฟ โดยบริเวณราว 1/2 นิ้ว (12.7 mm) ให้ระดับการปรับสภาพสูงสุด ดูเส้นประสีเหลืองในแผนภาพที่ 1 ทั้งนี้พื้นผิวที่จะปรับสภาพต้องไม่สัมผัสโซนรีดักชันของเปลวไฟโดยเด็ดขาด
โซนก่อนการเผาไหม้หรือโซนรีดักชันเป็นบริเวณที่เย็นที่สุดในเปลวไฟ ซึ่งก๊าซผสมล่วงหน้าที่ยังไม่เผาไหม้ยังไม่ถึงสภาวะออกซิไดซ์ที่เหมาะสม บริเวณนี้มีลักษณะเป็นสีน้ำเงินเหล็กสว่าง ไม่มีประสิทธิภาพในการกระตุ้นพื้นผิวและไม่ให้ประโยชน์ด้านออกซิเดชัน ส่วนโซนหลังการเผาไหม้เป็นบริเวณที่ใหญ่ที่สุดในสามโซนของโปรไฟล์เปลวไฟราบเรียบ อุณหภูมิยังคงสูงเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบคายความร้อนของ CO ไปเป็น CO2 ซึ่งปลดปล่อยความร้อนออกมา
ในแง่ของอุณหภูมิและความเข้มข้นของอนุมูลออกซิเจน บริเวณนี้จัดเป็นระดับกลางระหว่างโซนรีดักชันกับโซนเรืองแสง ก๊าซที่เผาไหม้แล้วที่อุณหภูมิสูงมักปรากฏเป็นสีออกแดง ซึ่งเกิดจากการแผ่รังสีของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ อันเป็นผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน รวมถึงอนุภาคฝุ่นบางส่วน
ช่องว่างหรือระยะห่างระหว่างเปลวไฟเรืองแสงกับพื้นผิววัสดุรองรับเป็นปัจจัยชี้ขาดต่อระดับการกระตุ้นที่ได้จากการปรับสภาพ โดยทั่วไป เมื่อวัสดุรองรับเคลื่อนผ่านเปลวไฟ ความสามารถในการเปียกของผิวที่ปรับสภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างระหว่างกรวยเปลวไฟกับวัสดุรองรับเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลดีจากการปรับสภาพยังคงสังเกตได้ในระยะหลายมิลลิเมตรเลยโซนหลังการเผาไหม้ออกไป เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุด เปลวไฟควรทำงานประสานกับโซนเรืองแสง ซึ่งอุดมด้วยสปีชีส์ออกซิไดซ์ที่ว่องไวที่สุด ได้แก่ อนุมูล OH และอะตอม O และเป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงสุดในระบบการเผาไหม้ทั้งหมด
ควรติดตั้งตัวควบคุมความดันก๊าซแบบศูนย์กับระบบหัวเผาแบบผสมล่วงหน้า โดยใช้ตัวผสมอากาศและเชื้อเพลิงแบบเวนทูรีเพื่อรักษาอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงให้คงที่ ไม่ว่าอัตราการเผาของหัวเผาจะเป็นเท่าใด ตัวผสมแบบเวนทูรีเป็นอุปกรณ์ผสมตามสัดส่วนที่มีช่องทางเข้าทั้งสำหรับก๊าซเชื้อเพลิง ทั้งก๊าซธรรมชาติหรือโพรเพน และอากาศหรือออกซิเจน โดยผสมก๊าซเหล่านี้อย่างเหมาะสมภายในตัวเรือนแล้วจ่ายออกทางช่องทางออก ในเชิงการทำงาน เมื่ออากาศสำหรับการเผาไหม้ไหลผ่านรูออริฟิสในตัวผสม จะทำให้เกิดความดันตก ซึ่งถูกรับรู้ภายในเป็นความดันลบผ่านท่อตรวจวัดด้านท้ายน้ำในตัวควบคุมความดันก๊าซแบบศูนย์ เพื่อรักษาความดันให้เป็นศูนย์เทียบกับบรรยากาศ
การเลือกชนิดหัวเผาอย่างเหมาะสมมีความสำคัญยิ่งต่อความสม่ำเสมอและความครบถ้วนของการปรับสภาพ การออกแบบผลิตภัณฑ์ รูปทรง และวัสดุรองรับพอลิเมอร์ล้วนเป็นปัจจัยสำคัญ หัวเผาที่ออกแบบมาดีจะมีเสถียรภาพสูง ลดการเกิดแฟลชแบ็กและการยกตัวของเปลวไฟ ซึ่งเป็นความไม่เสถียรสองรูปแบบที่เกิดจากความไม่สมดุลระหว่างความเร็วการไหลของส่วนผสมเชื้อเพลิงกับตัวออกซิไดซ์ และความเร็วการเผาไหม้ของส่วนผสมที่ติดไฟได้ แฟลชแบ็กอาจเกิดขึ้นในหัวเผาแบบผสมล่วงหน้าหากความเร็วการเผาไหม้ของเปลวไฟสูงกว่าความเร็วการไหลออกจากช่องเปิด ภายใต้เงื่อนไขนี้ แสดงว่าเส้นผ่านศูนย์กลางช่องเปิดสูงสุดที่ยังคงรับประกันการสูญเสียความร้อนที่จำเป็นได้ถูกเกินไปแล้ว จึงทำให้เปลวไฟลุกลามย้อนกลับเข้าไปในห้องผสม
หัวเผาที่ใช้ในการปรับสภาพด้วยเปลวไฟมีสองชนิด คือแบบริบบิ้นและแบบเจาะรู หัวเผาแบบริบบิ้นประกอบด้วยแผ่นริบบิ้นสเตนเลสสตีลจีบเป็นชุด สอดเข้าไปในทองเหลือง สเตนเลสสตีล เหล็กกล้าละมุน และเหล็กหล่อ จำนวนริบบิ้น รูปแบบการจีบ จำนวนช่องเผา และลักษณะการออกแบบลวดลายริบบิ้นอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน หัวเผาแบบริบบิ้นมีข้อได้เปรียบเพราะสามารถให้พื้นที่เปลวไฟกว้างและช่วยรักษาเสถียรภาพของเปลวไฟ หัวเผาชนิดที่สองคือแบบเจาะรู ซึ่งโดยปกติผลิตจากสเตนเลสสตีลและอะลูมิเนียม
หัวเผาแบบริบบิ้นเป็นหัวเผารุ่นล่าสุดและเป็นทางเลือกที่นิยมใช้มากที่สุดในระดับอุตสาหกรรม เพราะสามารถปรับรูปแบบเปลวไฟได้ตามต้องการโดยปรับความกว้างของช่องและจัดเรียงริบบิ้น3 หัวเผาแบบริบบิ้นจึงเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการดัดแปรพื้นผิวหรือการปรับสภาพด้วยเปลวไฟของฟิล์มพอลิเมอร์
พลาสมาอากาศจากการปล่อยประจุไฟฟ้า
ขอใบเสนอราคาฟรี
Scott Sabreen — ประธานและหัวหน้าวิศวกร ประสบการณ์กว่า 30 ปี ติดต่อเราวันนี้เพื่อปรึกษาการใช้งานของคุณและโซลูชันจาก SABREEN โดยไม่มีค่าใช้จ่าย
โทรศัพท์: +1 972-820-6777
