Alev Plazması
Alev işlemi, hidrokarbon yakıtın kontrollü koşullarda yanmasıyla, polimerin kütlesel özelliklerini etkilemeden altlık yüzeyini modifiye eden alev plazmasının üretildiği gaz fazı ön işlem yöntemidir. Alev işlemi sonucunda polimer yüzeyinin oksidasyonu, ön karışımlı reaktanların homojen yanması, yanma ürünlerinin polimer yüzeyine taşınması ve alev ürünlerinin polimerle heterojen tepkimesi dahil olmak üzere birden çok fiziksel süreçle gerçekleşir. Adyabatik alev sıcaklığı yaklaşık 3.300°F (1.816°C) düzeyindedir. Alev işleminin mekanizması, alev plazmasını üretmek üzere hidrokarbon yakıtın kontrollü yakılmasıdır. Ön karışımlı laminer alevler ekzotermik tepkime verir. Tam yanma için gereken kesin oksitleyici/yakıt oranı stokiyometrik oran olarak bilinir. Stokiyometrik yanmada fazla oksijen veya yakıt bulunmaz. Bu oran doğal gaz için yaklaşık 10:1, propan için 24:1'dir.
Alev, yanmadan önce iyice karıştırılmış yakıt ile oksitleyicinin karışımıdır. Yakıtın oksitleyiciye molar oranı, alev işlem prosesindeki muhtemelen en önemli parametredir. Doğal gaz için yanma tepkimesini aşağıdaki denklem tanımlar:
CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + alev plazması
Üç ana proses kontrol değişkeni alev kimyası, altlığın aleve olan mesafesi ve işlem bekleme süresidir. Bir yanma sisteminde alev, laminer alev hızı denilen bir hızla karakterize edilen ses altı bir dalgadır; bu hız, yanmamış gazların dalga yüzeyine dik doğrultuda yanma dalgası boyunca ilerleme hızı olarak tanımlanır. Laminer alev profili üç bölgeden oluşur: indirgeyici, ışıldayan ve yanma sonrası. Her bölgenin sıcaklık gradyanları ve kimyasal olarak reaktif türleri farklıdır. Alev içinden geçen parçanın konumu kritiktir ve azami yüzey ıslanması ile fonksiyonelleşme için hassas olmalıdır.
En uygun işlem, yani oksidasyon, ana tepkimenin ışıldayan bölgesinde veya oksitleyici bölgede gerçekleşir. Bu, alevin en sıcak bölgesidir; yanma sisteminin sıcaklığı doğal gazda yaklaşık 1.700°C'ye, propan esaslı karışımlarda 1.900–2.000°C'ye ulaşır. Bu bölgede serbest radikal reaktif tür içeriği — hidroksil, karbonil, karboksil, eter ve ester dahil — reaktan derişimi aleyhine çarpıcı biçimde artar. Radikal türlerin yüksek derişimi, indirgeyici bölgenin aksine bu bölgeyi güçlü biçimde oksitleyici kılar.
Bu bölgenin rengi yakıt/hava oranına bağlıdır. Karışım gaz bakımından fakir olduğunda, uyarılmış CH radikallerinden kaynaklanan koyu mavimsi mor bir ışıma oluşur ve gaz miktarı giderek azaltıldığında alev neredeyse saydam hale gelir. Karışım gaz bakımından zengin olduğunda, uyarılmış C2 moleküllerinden kaynaklanan yeşil bir ışıma belirir. Karışımdaki gaz daha da artarsa, oluşan karbon parçacıkları nedeniyle ışıma sarımsı renge döner. İdeal alev kimyası, yanma tepkimesinden sonra alev plazmasında %0,1 ila %0,5 oksijen derişimi sağlayan kimyadır.
Altlığın alevden en uygun işlem mesafesi (konumu), yanma öncesi indirgeyici bölgenin hemen üzerinde olup tipik olarak 3/8″ ile 1/2″ (9,5 mm ila 12,7 mm) arasındadır. Alevin gerçek işlem yapan kısmı, alev ucunun yaklaşık 1½″ (38,1 mm) ötesine uzanır; en yüksek işlem düzeyi ise yaklaşık 1/2″ (12,7 mm) mesafede elde edilir. Şema 1'deki sarı kesikli çizgiye bakınız. İşlem görecek yüzey, alevin indirgeyici (stokiyometri altı) bölgesine asla temas etmemelidir.
Yanma öncesi veya indirgeyici bölge, ön karışımlı yanmamış gazların henüz en uygun oksitleyici koşula ulaşmadığı, alevin en soğuk bölgesidir. Parlak çelik mavisi rengiyle tanınan bu bölge yüzey aktivasyonu için etkisizdir ve oksidasyon açısından fayda sağlamaz. Yanma sonrası bölge, laminer alev profilindeki üç bölgenin en büyüğüdür. CO'nun CO2'ye ekzotermik oksidasyon tepkimesi ve buna eşlik eden ısı salınımı nedeniyle sıcaklık yüksek kalır.
Sıcaklık ve oksijen radikali derişimi açısından bu bölge, indirgeyici ile ışıldayan bölgeler arasında ara bir karakter taşır. Yüksek sıcaklıktaki yanmış gazlar genellikle kırmızımsı bir renk sergiler; bu renk, hidrokarbon yakıtların yanma ürünleri olan su buharı ile karbondioksitin ışımasından ve bir miktar kir parçacığından kaynaklanır.
Işıldayan alev ile altlık yüzeyi arasındaki boşluk (mesafe), işlemle sağlanan aktivasyon derecesini belirleyen kritik bir etkendir. Genel olarak, altlık alevden geçerken, alev konileri ile altlık arasındaki mesafe arttıkça işlem görmüş yüzeyin ıslanabilirliğinde hızlı bir düşüş yaşanır. Bununla birlikte işlemin yararlı etkisi, yanma sonrası bölgenin birkaç milimetre ötesinde hâlâ hissedilir düzeydedir. İşlemden azami fayda sağlamak için alev, aktif oksitleyici türler (OH radikalleri ve O atomları) bakımından en zengin ve tüm yanma sistemindeki en yüksek sıcaklığa sahip ışıldayan bölgesiyle uyumlu çalışmalıdır.
Ön karışımlı brülör sistemlerinde sıfır gaz basıncı regülatörleri, brülörün yakma debisinden bağımsız olarak sabit hava/yakıt oranını korumak üzere venturi hava/yakıt karıştırıcılarıyla birlikte kurulmalıdır. Venturi karıştırıcı, hem yakıt gazı (doğal gaz veya propan) hem de hava/oksijen için girişleri bulunan oransal bir karıştırma cihazıdır; bu gazları gövde içinde uygun şekilde karıştırır ve çıkıştan dağıtır. İşlevsel olarak, yanma havası hava/yakıt karıştırıcısındaki orifisten geçerken bir basınç düşümü oluşturur; bu düşüm, atmosfere göre sıfır basıncı korumak amacıyla sıfır gaz basıncı regülatöründeki akış aşağısı algılama borusu üzerinden içeride negatif basınç olarak algılanır.
Brülör tipinin doğru seçimi, işlemin tekdüzeliği ve eksiksizliği bakımından kritiktir. Ürün tasarımı, geometri ve polimer altlık önemli etkenlerdir. İyi tasarlanmış bir brülör yüksek kararlılığa sahiptir ve geri tepme ile alev kalkması olaylarını azaltır; bunlar, yakıt/oksitleyici karışımının akış hızı ile yanabilir karışımın yanma hızı arasındaki dengesizlikten kaynaklanan iki kararsızlık türüdür. Alevin yanma hızı, ağızdan çıkan akış hızını aşarsa ön karışımlı bir brülörde geri tepme gelişebilir. Bu koşullarda, gerekli ısı kayıplarını sağlayan azami ağız çapı aşılmış olur ve alevin karışım odasına doğru geri yayılmasına izin verilir.
Alev işleminde iki tip brülör kullanılır: şerit ve delikli ağızlı. Şerit brülörler, pirinç, paslanmaz çelik, düşük karbonlu çelik ve dökme demir içine yerleştirilmiş bir dizi kıvrımlı paslanmaz çelik şeritten oluşur. Şerit sayısı, kıvrım deseni, brülör ağız sayısı ve diğer şerit deseni tasarım özellikleri uygulamaya bağlıdır. Şerit brülörler, geniş alev yüzeyi sağlama ve alevi kararlı kılma yetenekleri nedeniyle avantaj sunar. İkinci tip brülör delikli ağızlı olandır ve normalde paslanmaz çelik ile alüminyumdan üretilir.
Şerit brülörler en son nesil brülörlerdir ve endüstriyel düzeyde en yaygın benimsenen çözümdür; çünkü yarık genişliği ayarlanarak ve şeritler yapılandırılarak alev desenleri özelleştirilebilir3. Şerit brülörler, polimer filmlerin yüzey modifikasyonu veya alev işlemi için en uygun çözümdür.
Ücretsiz Teklif Alın
Scott Sabreen — Başkan ve Baş Mühendis, 30 yılı aşkın uzmanlık. Uygulamanızı ve SABREEN çözümlerini ücretsiz ve yükümlülüksüz görüşmek için bugün bizimle iletişime geçin. En zorlu sorunlarınızı bize getirin.
Telefon: +1 972-820-6777
