Tobacco Technology | Numerical Simulation of the Composite Heat Transfer Process in Heated Tobacco Products

张智轩¹，李志强²，尹献忠¹，张霞²，黄朵朵³，刘雪萍³，金心妍³，孙志伟⁴，张展¹，李世卫²，宋伟民¹，李倬¹，韩敬美^*2，王乐^*3，李斌³

1. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南郑州经开第三大街8号 450000

2. 云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明红锦路367号 650231

3. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州枫杨街2号 450001

4. 湖南中烟工业有限责任公司技术中心，湖南长沙劳动中路386号 410072

为了揭示加热卷烟在抽吸过程中的传热机理，建立了基于多孔介质的气体流动模型与气固两相局部热平衡传热模型，模拟烟具和烟支复合情况下加热卷烟在抽吸过程中的温度分布，采用红外热成像法检测烟具表面温度及采用热电偶检测烟支各功能段出口温度来验证传热模型的精确性。

结果表明：①烟具表面最高温度实测值与模拟值误差小于5 ℃，说明所建模型准确性较高；②烟支各功能段中心位置出口温度实验值和模拟值的总体趋势一致，但数值上存在差异，主要原因是在实际抽吸时烟支加热产生的高热容的气溶胶在流动过程中发生传质现象；③加热卷烟温度场和气流场模拟结果显示，烟具温度的分布不均匀，局部区域温度过高，上部靠近烟支处温度最高，抽吸结束后温度达到85 ℃；抽吸时烟支中空段和气流入口处流速最大，气流流动区域没有贴近烟具外壳会降低进口冷气流对烟具表面的散热效果；④加热卷烟散热速率计算结果显示，在整个抽吸过程中，烟具外表面散热速率随时间变化平缓上升，烟支暴露部分外表面散热速率随时间呈“锯齿形”上升，总散热速率最大约为0.95 W。

目前对于加热卷烟的研究主要集中在滤嘴温度、烟气释放、抽吸模式等方面。加热卷烟的传热特性和加热温度是影响卷烟烟气化学成分释放和用户体验的重要因素，因此许多研究人员开展了有关加热卷烟传热传质的研究工作。

目前国内对于加热卷烟的模拟工作主要集中在烟气释放的化学成分、烟气流动等方面，但对烟支和烟具的复合传热模型鲜有研究，因此在复合烟支和烟具设计时只能依靠反复实验操作得到结果，从而产生盲目试错、产品更新换代慢、经济成本和时间成本都较高等问题。

加热卷烟烟芯温度分布、滤嘴内部温度、烟气出口温度以及烟具表面温度，是体现加热卷烟传热传质性能的关键所在，本研究建立了加热卷烟逐口抽吸时烟支和烟具复合传热模型，利用数值模拟探究加热卷烟在抽吸过程中烟支和烟具的温度分布及变化规律，并采用固定位置温度检测实验值交叉验证数学模型的精确性，旨在为加热卷烟的能量管理与结构优化设计提供理论指导。

烟支结构和烟具结构尺寸通过物理测量获得，检测精度为1.0 mm。烟支结构参数设置为半径3.6 mm，烟芯段15.0 mm，中空段10.0 mm，聚乳酸段10.0 mm，醋酸纤维段10.0 mm，烟支的实物图和模型图如图1所示。

图1 烟支的实物图和模型图

Fig.1 Picture and schematic figure of a tobacco stick of HTP

烟具加热片为氧化铝陶瓷材质，参数设置为：加热片宽度4.0 mm、厚度0.4 mm、总长度17.0 mm，下部非加热区域长度6.0 mm，上部加热区域长度8.0 mm，三角区域高度3.0 mm，加热片暴露长度13.0 mm，烟具加热片的实物图和模型图如图2所示。

图2 烟具加热片的实物图和模型图

Fig.2 Picture and schematic figure of a heating element of heating device

烟支与烟具适配状态下结构参数设置为烟支插入烟具深度18.0 mm，暴露外部长度27.0 mm，加热片深入烟芯段9.0 mm。烟支与烟具适配状态下的实物图和模型图如图3所示。

图3 烟支与烟具适配状态下的实物图和模型图

Fig.3 Picture and schematic figure of a tobacco stick inserted into a heating device

图4 数学模型的边界条件

Fig.4 Boundary conditions of a mathematical model

烟具物性参数设置如表1所示，包括高分子聚合物与加热片的密度、质量比热容与导热系数。

表1 烟具物性参数设置

Tab.1 Physical parameters of the HTP heating device

烟芯段、中空段、聚乳酸段、醋酸纤维段等材料的物性（体积比热容、导热系数）通过实验检测获得，由于实验测得的物性参数可能有一定的偏差，为了保证模拟计算结果的准确性，在模拟的过程中对物性参数在10%的范围内进行了微调，调整后的参数设置结果如表2所示。空气物性参数通过查询常见物性手册获得。

表2 烟支物性参数设置

Tab.2 Physical parameters of a tobacco stick

烟具表面温度模拟图和实测图如图5所示。从模拟图（图5a）中可以看出，由于加热片在不断释放热量，因此最高温度分布在烟具上部靠近烟支的部分，最低温度分布在烟具底部，在抽吸结束时，最高温度大约为88 ℃，手持部分温度大约为30 ℃。从实测图（图5b）中可以看出，最高温度、最低温度分布与模拟情况一致，烟具表面最高温度大约为85 ℃，手持部分温度大约为34 ℃，说明模拟结果较准确。

图5 烟具表面温度模拟图和实测图

Fig.5 Schematic diagrams of simulated（left）and experimentally measured surface temperature of a HTP device in use

由图6可知，烟具表面最高温度的实验值和模拟值均随着抽吸时间的增加逐渐升高，且二者的趋势一致。在抽吸过程中烟具表面最高温度的实验值与模拟值的平均差值小于5 ℃，进一步说明了模拟结果的准确性。

图6 烟具表面最高温度实验值和模拟值的对比结果

Fig.6 Experimental and simulated values of the maximum surface temperature of a heating device

选取烟支中空段出口、聚乳酸段出口以及醋酸纤维段出口的中心点进行温度比较分析，上述3个点的位置如图7所示。

图7 加热卷烟烟支各段中心点位示意图

Fig.7 Schematic diagram illustrating central locations in each segment of a HTP tobacco stick where temperature is measured

由图8可知，两种条件下烟支各个功能段出口的温度随时间变化的规律主要有：①在抽吸瞬间，未经干燥处理的烟支在各个功能段出口的温度高于干燥处理后的烟支的温度，抽吸结束后温度基本相同。②中空段出口温度差最大，逐口升温趋势一致，未经干燥处理的烟支在每一口的温度要明显高于干燥处理后的烟支。③聚乳酸段出口温差较大，逐口升温趋势较为一致，未经干燥处理的烟支与干燥处理后的烟支的出口温度前三口差异较大，第4口及以后差异较小。④醋酸纤维段出口温差较小，逐口升温趋势较为一致，在第5口之前，未经干燥处理的烟支出口温度要明显高于干燥处理后的烟支，在第5口及以后，未经干燥处理的烟支与干燥处理后的烟支的出口温度基本一致。

图8 未经干燥处理和干燥处理后烟支各功能段出口温度对比图

Fig.8 Exit temperature of each functional section of a tobacco stick before and after drying treatment

图9 加热卷烟烟支各功能段中心位置出口温度实验值与模拟值对比图

Fig.9 Experimental and simulated values of exit temperature at the center of each functional section of HTP tobacco stick

图10为加热卷烟在整个抽吸周期的抽吸1 s时刻下（即2 s抽吸周期内的抽吸速率最大时刻）烟具的表面模拟温度及实验温度。从图10a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，烟具底部手持部分和烟支出口的温度约为35 ℃，这与图10b中实验数据一致。

a. 烟具表面模拟温度示意图

b. 烟具表面实验温度示意图

图10 加热卷烟抽吸过程中不同口数下烟具表面温度示意图

Fig.10 Schematic diagram of surface temperature of a heating device with increasing puff number during smoking process of HTP

从图11中可以看出，在抽吸前几口，高温区域集中在加热片上，烟具外壳及烟支部分都是低温区域，随着抽吸口数的增加，热量以加热片为中心开始向外扩散，主要是随着热气流向烟支方向扩散，抽吸中间几口时的温度变化不明显。

图11 加热卷烟抽吸过程中烟支与烟具截面模拟温度示意图

Fig.11 Schematic diagram of cross-sectional temperature distributions of a heating device with increasing puff number during smoking process of HTP

从图12a中可以看出，在抽吸1 s时流速最大的区域是烟支的中空段和气流入口处，气流入口处流速可达5~6 m/s，烟支中空段最大流速约为4.5 m/s。从图12b中可以看出，气流是从靠近烟具外侧的通道进入，从靠近烟支的通道流出，气流流动区域并没有贴近烟具外壳，主要从烟具中部圆柱环区域的缺口进入，减少了进口冷气流对烟具表面的散热效果，烟具内部空隙中的空气反而成为较好的保温层，这不利于烟具的散热。

a. 流速图 b. 流线图

图12 加热卷烟抽吸1 s时刻下气流场示意图

Fig.12 Schematic diagram of airflow field at the time of HTP puffing for 1 s

由图13可知，在整个抽吸过程中，烟具外表面散热速率随时间变化较为平缓，没有较大的波动，故烟具外表面散热速率受抽吸影响较小，抽吸结束时的散热速率约为0.8 W；烟支暴露部分外表面散热速率随时间呈“锯齿形”上升，可以看出烟支暴露部分外表面散热速率受抽吸影响较大，抽吸结束时最大散热速率约为0.15 W。

图13 加热卷烟抽吸过程中烟具外表面与烟支暴露部分外表面散热速率

Fig.13 Surface heat dissipation rates of a heating device and exposed tobacco stick during HTP smoking process

该研究得到国家烟草专卖局重点科技项目“加热卷烟烟具与烟支耦合设计关键技术研究与应用”［110202001010（XX-06）］、“自然烟气卷烟烟气释放与传递特征及其调控技术研究”［110202201045（XX-04）］的支持。

张智轩，李志强，尹献忠，等. 加热卷烟复合传热过程的数值模拟［J］. 烟草科技，2024，57（2）：61-69.

ZHANG Zhixuan， LI Zhiqiang， YIN Xianzhong， et al. Numerical simulation of combined heat transfer process of heated tobacco products under machine-puffing condition［J］. Tobacco Science & Technology，2024，57（2）：61-69.

DOI: 10. 16135/j. issn1002- 0861. 2023. 0153