近日，由我实验室李斌博士团队与云南中烟新型烟草研究团队合作，在国家局重大专项资助下，圆满完成了“加热卷烟烟具与烟支耦合设计关键技术研究与应用”项目所有工作，今天在“烟草工艺学术交流”公众号上首发“加热卷烟烟支烟具耦合设计平台（单机版）（Heat AnalysisBench of Optimum for HTPs，HABO 1.0）”这一工业软件系统，特别向行业加热卷烟研发者发出诚挚邀请，从今日起，开始向大家提供深度高效和开放免费的应用体验。未来我们团队将继续开发开放的云计算平台（目前还在调试），及时向全行业广大用户开放免费使用。
2014年我们实验室第一次提出要对加热卷烟开展设计的时候，我们就提出加热卷烟就是“外热式反应器”的基本概念，从行业加热卷烟研发者设计一支加热卷烟的过程来看，需要同多个部门进行沟通，因为比起传统卷烟而言，我们还需要增加另外一个变量，就是“电”或者提供热源其他的性能的表述，此时我们研发者在设计时除了向传统卷烟考虑四要素以外，必须增加对热源的设计。所以设计时的这种沟通就变成了比传统卷烟设计更加低效的一件工作。
相信这次HABO 1.0公开，将对行业从业者加快设计、更新迭代产生帮助，行业加热卷烟研发者需按照一定的要求提交少许信息和已有加热卷烟产品，就能得到我们团队热情洋溢的设计、评价及优化服务，相信开发者在我们协助下，能够快速获得感兴趣的逐口烟气温度、逐口常规烟气成分、烟具表面温度，烟具热效率等等关键设计信息及其优化设计方向。重要事情说三遍，完全免费、完全免费、完全免费！先来先得，接续努力！
好吧，我们来看看HABO 1.0如何架构的吧!该成果发布我们将预计用四期公众号文章介绍：今天是第一期内容“加热卷烟一体化设计中科学问题的提出”。
我们每个周一见?
加热卷烟已经成为新兴战略性烟草产品，其特征在于加热烟草产生烟气气溶胶，有害成分释放量低并提供消费者接受的烟草特征感受。目前，加热卷烟一般分为电加热型和炭加热型等，主要在于改变了烟气产生及传递机制，从而有效降低了烟气中的危害物及潜在危害物，达到降低对消费者健康影响的目的。
对于传统卷烟而言，吸入卷烟烟气是消费卷烟产品的形式，其来源并经历了卷烟燃吸中燃烧/热解、烟气气溶胶形成、烟气沿烟支轴向的传递和滤嘴对烟气的过滤等过程。如图1所示，在卷烟燃吸过程中，每一个历程及各历程间的相互耦合作用都将对烟气组成起到重要的作用。另外，卷烟燃烧时借助自然对流或强制对流与空气发生快速氧化反应，燃烧产生的部分热量反馈回来加热未反应的烟草，从而形成一个经典的自我维持燃烧循环过程，过程中形成烟气的关键在于燃烧热源状态下多孔介质中传递现象、蒸馏/热解、燃烧等化学反应和相变等物理过程作用。相比传统卷烟燃烧热源，加热卷烟与传统卷烟最本质就是热源发生了变化，如图2所示，正如上述对卷烟烟气的形成可以看作为一个“反应器”的话，传统卷烟就是“自热式反应器”，而加热卷烟就是“外热式反应器”，这种给“热”的方式发生变化后，烟气形成机制就发生了变化，但在“热”的作用下，所涉及的热化学与热物理过程机制，包括热解/蒸馏反应、气溶胶形成、抽吸过程中轴向热量、质量和动量的传递现象、滤嘴对形成烟气的过滤特征等方面是相似的，但由于“热”的来源不同，产生烟气源相涉及的化学反应发生了改变。相比传统燃烧卷烟而言，加热卷烟的设计也由于”自热”和“外热”变化后而产生了显著变化。
既然两种卷烟的“热”的来源发生改变，那就让我们从基础原理上考虑“热”的问题，“热”的传递方式有三种：传导、对流和辐射，其中辐射传热对于传统卷烟时发挥着重要作用（燃烧锥位置温度高于500℃），传导和对流（静燃中自然对流和燃吸过程中强制对流现象），不论是在传统卷烟，或者是加热卷烟中均具有重要意义。同时，众所周知，目前，加热卷烟已经形成了两种加热技术，一种是拿掉温度的低温加热技术，也就是我们常说的HNB，一种是由我们团队所构建的拿掉氧气的去氧加热技术，也就是我们定义的NSCs技术，在“热”的解析上也是有一定区别的，但对HNB和NSCs中“热”的解析的基本原理还是有相似之处的。所以基于“热”的解析在加热卷烟设计中的作用，我们比较容易的提出在该领域的关键科学问题：如图3所示。
关键科学问题1：原料的“热”物性。具体讲，传热中所涉及的堆积状态下的导热系数、比热容、自然对流下的对流换热系数和强制对流下的对流换热系数等等，就像我们使用电炉（或燃气灶）烧开一壶水，我们需要在外部给它多少热量，在这个过程中它又需要多少热量，这取决于水的比热容以及壶的导热系数以及周围自然对流状态下空气的对流换热系数的多少。
关键科学问题2：“热”系统的结构设计。具体讲，就是“热”源的结构和接受“热”的结构，“热”源的结构主要包括“热”状态，是电“热”源，还是炭“热”源。电“热”源需要了解电“热”控制程序、加热器材料、烟草材料接触面积等等，当然散热结构同样重要；炭“热”源需要了解炭“热”源燃烧中强制对流换热系数，燃烧持续时间、结构中各种材料导热和对流换热情况等等。我们还使用电炉（或燃气灶）烧开一壶水这个示例，电炉功率或者燃气灶天然气流量以及壶的结构、材质等等都将影响烧开一壶水的过程。
关键科学问题3：“热”源和“热”的传递。电“热”时的中心给“热”或者外周给“热”或者兼而有之，炭“热”源不同材质结构炭“热”源，给“热”不同，当然在这个过程中传热方式也会发生很大的变化。
在未抽吸状态下，电“热”传导给热比例增大，自然对流下对流换热量相对较小；在抽吸状态下，在HNB产品类型中，强制对流对“热”的传递作用增大，而传导给热相对较小；另外在NSCs产品类型中，强制对流由于去氧技术的基本原料，拿掉了烟草基质端的强制对流，传导给热处于主导地位。炭“热”的问题亦然，当然炭热源也包括了“HNB”和“NSCs”两种技术构象。我们仍然使用电炉（或燃气灶）烧开一壶水这个示例，“热”源和“热”的传递，我们索性将电热源插入水中直接接触，另外我们改成电磁炉或微波方式，使得“热”源发生改变和传递过程发生改变。总而言之，在加热卷烟的设计研发中，“热”在其中起到决定性的作用，其中存在原料热物性、结构特征和热源及传热方式三个方面的科学问题，相互依存，相互关联，共同决定加热卷烟产品烟气品质。
伴随三个科学问题的深入认识，结合热源（不论是电热源或者炭热源）释热动力学特征以及烟气气溶胶在加热卷烟烟支功能材料端进行迁移传递特征，构成我们解决加热卷烟热质耦合特征的关键科学问题。
正如上述科学问题提出时所谈到了，电加热产品在技术层面已经分为了低温加热技术（HNB）和去氧加热技术（NSCs），炭加热烟草制品分类亦然。加热卷烟热源设计形式多样，从目前的已经公开的专利文献中可知，单一文献在申请时，采用多结构设计，使得权利要求更加全面，所以加热卷烟传热过程对产品结构设计，研发及性能评价均具有重要的应用价值。对传统卷烟而言，对燃烧过程传热的调控，可以通过改变卷烟纸特性、滤嘴通风、烟丝配方结构的变化及烟用添加剂实现，对燃烧过程可控因素较少，且能够控制的范围有限。加热卷烟传热过程主要由烟草物料在加热状态下的热物性参数变化规律，热源和传热方式等决定，有文献报道通过炭基供热材料或电加热的调整以及对流场通道结构设计，可以实现对烟气产生与传输量进行控制。由于给热方式及热源的多样性，加上结构设计的个性化，现阶段加热卷烟在热质传递现象及气溶胶传递机制上似乎没有较为明确的机制探讨，这对提炼热质传递现象中科学问题造成很大的困难。
基于此类“热”领域的科学问题，加热卷烟设计研发工作，不仅在烟气形成的化学基础中有广阔的研究空间，即可以涵盖有害成分释放、新型卷烟制品毒理学分析与评价领域等领域，在“热”的解析方面，即传热及物质传递等领域也有着深入开展的需求与前景，尤其是开发一套加热卷烟耦合设计一体化平台（以下简称一体化平台），对于提高行业加热卷烟产品的设计与开发水平具有十分重要的意义。
该工业软件HABO1.0正式推出，无疑为行业从业者在加热卷烟设计研发领域提供一件利器。我们将以四期公众号文章来介绍该工业软件平台，特别请大家持续关注！这是第一期，我们接续努力，相信行业中人的你们能够联系上我们。
第二期，加热卷烟一体化设计平台形成中的关键技术研发
原文始发于微信公众号（烟草工艺学术交流）：【重磅消息】成果发布！加热卷烟烟具烟支耦合设计平台
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