郭彤洲，吳超群

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越追求健康生活，傳統(tǒng)卷煙雖口感較好，但是燃燒會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，因此人們尋求一種新型煙草來(lái)替代傳統(tǒng)卷煙的作用[1]。在此基礎(chǔ)上，一種僅對(duì)煙草進(jìn)行加熱的方式應(yīng)運(yùn)而生，據(jù)研究表明只加熱而不燃燒煙草能夠減少高達(dá)90%的有害物質(zhì)[2-3]。而炭加熱不燃燒煙草作為一種新型煙草，具有對(duì)人體危害小、保留卷煙口感、環(huán)境友好[4]等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為各大煙草公司研究的重點(diǎn)[5]。炭加熱不燃燒煙草保持不燃燒需要使煙草溫度在500 ℃以下[6]，但同時(shí)煙草制品需要在220 ℃以上加熱溫度才能對(duì)受熱產(chǎn)生煙氣[7]；傳遞到煙草端的熱量是炭加熱不燃燒煙草制品最重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。而炭加熱煙草加熱器結(jié)構(gòu)直接影響加熱不燃燒煙草制品的傳熱性能，進(jìn)而影響煙草端的溫度。筆者圍繞炭加熱不燃燒煙草加熱器傳熱性能展開研究，通過仿真分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)新型加熱煙草加熱器進(jìn)行傳熱分析，研究不同流量和熱回收結(jié)構(gòu)對(duì)加熱器傳熱性能的影響規(guī)律。

1 加熱器模型建立與仿真設(shè)置

1.1 加熱器模型建立

炭加熱煙草加熱器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要是由燃燒室和加熱室兩部分構(gòu)成，其中燃燒室內(nèi)部包含用隔熱材料制作而成的圓環(huán)，加熱室內(nèi)部起安放導(dǎo)熱針和煙草的作用，燃燒室的外殼與加熱室外殼通過焊接形成一體，共同構(gòu)成加熱器的外殼。炭源放置在圓環(huán)內(nèi)作為加熱器的熱源為煙草提供熱量，導(dǎo)熱針下部的凸起部分與炭源直接接觸，起到熱量傳遞的作用。

圖1 炭加熱煙草加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

由于煙草加熱器主體是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在仿真分析時(shí)可以對(duì)一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[8]。同時(shí)由于炭加熱煙草加熱器內(nèi)部傳熱是各項(xiàng)同性，所用材料的性質(zhì)也不隨方向變化而變化，故可以對(duì)加熱器模型進(jìn)行降維處理，將其簡(jiǎn)化為二維平面模型進(jìn)行傳熱仿真分析。而且可以將加熱器模型上的一些不重要的細(xì)節(jié)特征刪除，如倒角、螺紋等，以減少仿真計(jì)算量。

1.2 網(wǎng)格劃分及傳熱模型設(shè)置

在COMSOL 5.6軟件中對(duì)所建立的炭加熱煙草加熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為207 305。同時(shí)采用固體和流體傳熱模塊以及層流模塊對(duì)加熱器傳熱進(jìn)行分析[9]，并且設(shè)置了3種邊界條件，入口邊界條件設(shè)置在端蓋處，入口流體的速度設(shè)置為0.178 m/s，出口壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。本模型中設(shè)置加熱器內(nèi)部傳熱為瞬態(tài)傳熱。每隔10 s對(duì)導(dǎo)熱針尖端溫度進(jìn)行取樣，一共取樣300 s。

2 加熱器傳熱性能影響因素仿真分析

2.1 增加熱回收結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響

所采用的熱回收結(jié)構(gòu)是在導(dǎo)熱針尾部增加一塊帶孔圓板，可用來(lái)吸收對(duì)流氣體中的熱量，圖2為采用熱回收結(jié)構(gòu)加熱器的導(dǎo)熱針。

圖2 采用熱回收結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱針

圖3為有無(wú)熱回收結(jié)構(gòu)對(duì)加熱器傳熱的影響。從圖3可知，加熱器中的溫度主要集中在炭源和導(dǎo)熱針處，隔熱層阻隔了大量的熱傳遞，從而使得加熱器外壁溫度不至于過高，由于煙草加熱溫度在220 ℃以上才能對(duì)煙草制品進(jìn)行加熱，因此針尖溫度到達(dá)220 ℃的時(shí)間以及220 ℃持續(xù)時(shí)間是表征加熱器傳熱性能的指標(biāo)。而由圖3看出針尖端的溫度均大于220 ℃，能夠達(dá)到使用溫度，滿足加熱煙草的功能。另一方面對(duì)比圖3(a)和圖3(b)兩個(gè)云圖可知，沒有熱回收結(jié)構(gòu)的加熱器整體溫度更高。

圖3 有熱回收結(jié)構(gòu)和無(wú)熱回收結(jié)構(gòu)的加熱器溫度云圖

圖4為熱回收結(jié)構(gòu)對(duì)針尖端溫度的影響，從圖4可知，有熱回收結(jié)構(gòu)的加熱器相較于無(wú)熱回收結(jié)構(gòu)加熱器來(lái)說(shuō)，針尖端溫度整體較低，但是有了熱回收結(jié)構(gòu)后加熱器針尖端溫度較為穩(wěn)定，持續(xù)加熱時(shí)間更長(zhǎng)。這是因?yàn)樘吭词菑囊欢它c(diǎn)燃而熱回收結(jié)構(gòu)設(shè)置在另一端，在加熱前期炭源并未全部燃燒，熱回收結(jié)構(gòu)溫度較低會(huì)從導(dǎo)熱針處吸收熱量從而導(dǎo)致導(dǎo)熱針尖溫度降低。但是到了加熱后期，熱回收結(jié)構(gòu)可以反過來(lái)對(duì)導(dǎo)熱針進(jìn)行加熱，對(duì)于導(dǎo)熱針尖溫度的保持是有益的。

圖4 有無(wú)熱回收結(jié)構(gòu)對(duì)針尖端溫度的影響

2.2 不同流量對(duì)加熱器傳熱的影響

圖5為不同流量下加熱器溫度云圖。從圖5可知，隨著流量的增加，加熱器內(nèi)部溫度逐漸減少，同時(shí)加熱器壁面和燃燒室出口處溫度也是隨著氣體流量逐漸減少。這是因?yàn)樾×髁繘]辦法帶走加熱器內(nèi)部的熱量，造成熱量在出口處的堆積，大流量雖然能提高炭源的燃燒效率提供更多的熱量，但是流量過大會(huì)帶走大量的熱并且會(huì)使炭燃燒時(shí)間變短從而導(dǎo)致整體溫度降低。

圖5 不同流量下加熱器溫度云圖

圖6為不同流量對(duì)針尖溫度的影響曲線。從圖6可知，隨著流量的增加，針尖端溫度在前期上升速率越快，但是在中后期，隨著流量增加，針尖端整體溫度反而降低。這是因?yàn)樵谇捌陔S著流量的增加，炭源燃燒越劇烈，因此導(dǎo)致溫度曲線更加陡峭，到了中后期通入大流量的加熱器炭源產(chǎn)熱逐漸變少，同時(shí)流量越大流速越快會(huì)帶走更多的熱量，導(dǎo)熱針尖端溫度反而會(huì)下降。因此在所選取的流量范圍內(nèi)，2.4 L/min的入口流量對(duì)加熱器傳熱速率的提升作用最明顯，并且相較于低流量來(lái)說(shuō)，傳熱速率最高提高了29%。

圖6 不同流量對(duì)針尖端溫度的影響

3 加熱器傳熱性能影響因素實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 傳熱性能測(cè)試平臺(tái)

為了驗(yàn)證炭加熱煙草加熱器傳熱性能影響因素仿真分析的正確性，現(xiàn)對(duì)加熱器進(jìn)行傳熱實(shí)驗(yàn)，測(cè)試平臺(tái)如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)時(shí)將炭源塞入加熱器空腔內(nèi)點(diǎn)燃，通過空壓機(jī)、過濾減壓閥以及流量計(jì)給加熱器輸入一個(gè)初始入口流量0.3 L/min，使得實(shí)驗(yàn)條件與仿真保持一致。在導(dǎo)熱針尖端處布置熱電偶測(cè)點(diǎn)[10]，使用熱電偶溫度計(jì)對(duì)溫度變化進(jìn)行記錄，取樣步長(zhǎng)為10 s，采樣時(shí)間為300 s，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值進(jìn)行比較。

3.2 加熱器內(nèi)針尖端溫度變化情況驗(yàn)證

首先對(duì)加熱器有無(wú)熱回收結(jié)構(gòu)兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖8為兩種結(jié)構(gòu)下針尖端溫度與時(shí)間的關(guān)系圖。圖8展示了300 s內(nèi)針尖端溫度上升的情況，從圖8可知，無(wú)熱回收結(jié)構(gòu)的加熱器在69 s到達(dá)加熱溫度，而有熱回收結(jié)構(gòu)的加熱器在89 s才能到達(dá)指定加熱溫度；在210 s左右時(shí)，無(wú)熱回收結(jié)構(gòu)的加熱器針尖溫度開始下降，有熱回收結(jié)構(gòu)的加熱器針尖溫度趨于穩(wěn)定，這與仿真得到的規(guī)律一致。

圖8 兩種結(jié)構(gòu)加熱器的針尖端溫度實(shí)驗(yàn)曲線

此外，對(duì)不同流量下加熱器針尖端溫度隨時(shí)間變化情況也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圖9為不同流量下針尖端溫度與時(shí)間的關(guān)系圖。從圖9可知，隨著流量增大，曲線越陡峭，針尖端溫度上升速率越快，并且在一定范圍內(nèi)流量越大，整體溫度反而降低。另外在所測(cè)流量下，加熱器針尖端溫度均超過了加熱溫度。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢(shì)基本一致。

圖9 不同流量下加熱器的針尖端溫度實(shí)驗(yàn)曲線

綜上所述，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了安裝熱回收結(jié)構(gòu)會(huì)降低加熱器的加熱速率但是能夠延長(zhǎng)加熱時(shí)間，增大風(fēng)量會(huì)使得加熱器的加熱速率提升，但是風(fēng)量過大會(huì)導(dǎo)致加熱溫度變低。故說(shuō)明了不安裝熱回收結(jié)構(gòu)并且通入流量為2.4 L/min時(shí)，加熱器傳熱性能最好。

4 結(jié)論

筆者對(duì)炭加熱煙草加熱器進(jìn)行了建模處理，并運(yùn)用有限元軟件仿真分析了不同影響因素對(duì)加熱器熱性能的影響，然后對(duì)炭加熱煙草加熱器進(jìn)行了傳熱性能研究實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明：

(1)通過安裝熱回收結(jié)構(gòu)和改變?nèi)肟诹髁看笮?duì)炭加熱煙草加熱器傳熱特性進(jìn)行了進(jìn)一步分析，從中得知安裝熱回收結(jié)構(gòu)后，加熱器溫度上升速率變慢但是加熱時(shí)間變長(zhǎng)，烘烤溫度更加均勻；同時(shí)入口流速越大，加熱器針尖端溫度上升速率越快，但是加熱器整體加熱溫度反而下降。相交于低流量的結(jié)果來(lái)說(shuō)，傳熱速率最高提高了29%。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，不安裝熱回收結(jié)構(gòu)以及通風(fēng)量為2.4 L/min時(shí)加熱器傳熱性能最好并且基本符合實(shí)際需求。