【重磅消息】成果发布连载第三期！加热卷烟一体化平台技术特点

我们每个周一见?

回顾第二期讲到一体化平台HABO 1.0的关键技术特点，主要体现在三个方面。首先是基于实验数据获得的卷烟关键成分释放动力学；其次是综合考虑烟支、烟具复合结构的流动、传热、传质耦合传递过程；最后是考虑大量烟支物性参数对烟气温度与成分释放的影响。

今天是第三期内容“加热卷烟一体化平台的主要技术特点”。该平台主要有7大特色：（1）重建复杂几何模型；（2）模拟各种抽吸模式；（3）模拟烟支气流速度分布；（4）模拟烟支温度分布；（5）模拟烟支温度变化；（6）模拟烟具能量耗散；（7）模拟烟支物质释放。

「重建复杂几何模型」

平台可以重建复杂几何模型。烟具各段结构尺寸和烟支结构通过物理测量获得，检测精度1.0 mm。烟具与烟支的具体结构及参数设置如图1所示。由于烟具外壳形状并非轴对称，而且内部存在电子器件等复杂组件，并不利于传热传质建模。因此对烟具细节做了必要的简化，同时对于加热片附近的结构予以保留，以便建立合适的几何模型。   

图1 烟支和烟具实物图与结构图

「模拟各种抽吸模式」

以HCI抽吸模式为例，抽吸容量55 mL,抽吸间隔时间30 s，抽吸持续时间2 s，抽吸过程曲线为钟形波。表示抽吸单元函数。烟具预热时间为32 s，每支加热卷烟抽吸口数为9口。单元函数曲线表达式如图2所示。

图2 抽吸单元函数曲线

「模拟烟支速度场」

平台可以模拟加热卷烟内部的气流场。在第一个抽吸过程（32 ~34 s）内，烟支模拟出的气流场分布如图2所示。在整个抽吸周期内两种烟支均表现为抽吸0 s时，抽吸开始启动，此时气流速度呈现较低的状态；抽吸0.5 s时，速度开始有所升高，在抽吸1.0 s时达到最大值；抽吸1.5 s时的气流场与抽吸0.5 s时的气流场基本一致。在抽吸过程中中空段的速度是最大的，并且中空段的外围基本无流速。

（a）烟支流速分布图（b）烟具气流流线图

图2 加热烟支1个抽吸周期内的速度分布

「模拟烟支温度场」

平台不仅可以模拟加热卷烟烟支内部的温度分布。图3表示烟支在1个抽吸周期内的温度场分布。在抽吸0 s时，由于气流速度比较小，低温区域主要分布在中空段、聚乳酸段和醋纤段；抽吸0.5 s时，中空段温度开始明显升高；抽吸1.0 s和1.5 s时，随着抽吸时间的增大，入口处的低温区域面积也逐渐增大，烟支温度继续向后流动扩展，烟芯段端口温度出现低温区，直到抽吸至2.0 s时能明显看出中空段温度和聚乳酸段温度出现断层现象，在聚乳酸段出现了一个D字形的温度区域。

（a）与加热片平行截面内的一个抽吸周期内的温度场  （b）与加热片垂直截面内的一个抽吸周期内的温度场

图3加热烟支一个抽吸周期内的温度场

平台还可以模拟加热卷烟烟具表面的温度分布。图4为加热卷烟在整个抽吸周期内抽吸1 s时烟具的表面温度。从图中可以看出，随着抽吸时间的增长，烟具上部温度逐渐升高，在抽吸结束时温度达到最高，约为85℃，最高温度分布在烟具上部靠近烟支的部分，烟具底部手持部分温度约在35℃左右，烟支出口温度也在35℃左右，与实际情况一致。

图4加热卷烟抽吸过程中烟具表面温度示意图

「模拟烟支温度曲线」

首先，平台可以模拟烟支各个位置的温度变化规律。图5表示烟支各个功能段界面中心位置温度的模拟计算结果与实验结果的对比图。卷烟各个功能段出口的中心温度模拟值与实验值差异小于15 ℃，证明了加热卷烟在抽吸过程中的传热数值模型的准确性。

（a）加热烟支温度模拟图  （b）加热烟支温度实验图

图5 加热卷烟烟支温度模拟与实验对比图

其次，平台还可以模拟烟支不同线或平面上的温度变化规律。图6所示为加热卷烟中心轴线不同位置上1个周期内的温度曲线。从图中可以看出，滤嘴段各段温度都均呈现从高到低的变化规律。在抽吸2s范围内，加热卷烟烟支的轴向中心线上的温度变化，中空段温度变化范围最大，在150℃左右；聚乳酸段温度变化范围次之， 在80℃左右；醋酸纤维段温度变化范围最小，在15℃左右。

图6 加热卷烟不同位置一个周期内的温度曲线

「模拟烟支热量耗散」

平台能够模拟烟支不同区域的热量耗散。加热卷烟烟具与烟支的散热量模拟结果如图7所示。从图中可以看出，在整个抽吸过程中，烟支与烟具总外表面的散热量一直是不断升高的。其中烟具外表面散热量随时间呈现“s”型变化，且受到抽吸影响较小，抽吸结束时的散热能耗约为0.8W；烟支暴露部分外表面散热量呈现锯齿形上升趋势，热通量主要受到烟支表面温度波动的影响，抽吸结束时最大散热能耗约为0.15W。

图7 加热卷烟抽吸过程中烟具和烟支散热量

「模拟烟支物质释放」

平台模拟加热卷烟各种关键成分的逐口释放规律。丙三醇的释放规律如下图所示。图（a）表示烟支抽吸时刻的丙三醇浓度分布图，图（b）表示烟支滤嘴各个功能段中心轴线上的丙三醇的浓度分布图。图（c）表示烟支逐口抽吸时，烟支出口丙三醇释放量实时规律。

图8加热卷烟抽吸过程中丙三醇释放规律

原文始发于微信公众号（烟草工艺学术交流）