炭加熱煙草加熱器傳熱性能分析

郭彤洲，吳超群

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著生活水平的提高，人們越來越追求健康生活，傳統卷煙雖口感較好，但是燃燒會產生有害物質，因此人們尋求一種新型煙草來替代傳統卷煙的作用[1]。在此基礎上，一種僅對煙草進行加熱的方式應運而生，據研究表明只加熱而不燃燒煙草能夠減少高達90%的有害物質[2-3]。而炭加熱不燃燒煙草作為一種新型煙草，具有對人體危害小、保留卷煙口感、環境友好[4]等優點，已經成為各大煙草公司研究的重點[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]，但同時煙草制品需要在220 ℃以上加熱溫度才能對受熱產生煙氣[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價指標。而炭加熱煙草加熱器結構直接影響加熱不燃燒煙草制品的傳熱性能，進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，通過仿真分析與實驗相結合的方式，對新型加熱煙草加熱器進行傳熱分析，研究不同流量和熱回收結構對加熱器傳熱性能的影響規律。

1 加熱器模型建立與仿真設置

1.1 加熱器模型建立

炭加熱煙草加熱器總體結構如圖1所示，其主要是由燃燒室和加熱室兩部分構成，其中燃燒室內部包含用隔熱材料制作而成的圓環，加熱室內部起安放導熱針和煙草的作用，燃燒室的外殼與加熱室外殼通過焊接形成一體，共同構成加熱器的外殼。炭源放置在圓環內作為加熱器的熱源為煙草提供熱量，導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構示意圖

由于煙草加熱器主體是對稱結構，在仿真分析時可以對一半結構進行分析[8]。同時由于炭加熱煙草加熱器內部傳熱是各項同性，所用材料的性質也不隨方向變化而變化，故可以對加熱器模型進行降維處理，將其簡化為二維平面模型進行傳熱仿真分析。而且可以將加熱器模型上的一些不重要的細節特征刪除，如倒角、螺紋等，以減少仿真計算量。

1.2 網格劃分及傳熱模型設置

在COMSOL 5.6軟件中對所建立的炭加熱煙草加熱器進行網格劃分，劃分后的網格數量為207 305。同時采用固體和流體傳熱模塊以及層流模塊對加熱器傳熱進行分析[9]，并且設置了3種邊界條件，入口邊界條件設置在端蓋處，入口流體的速度設置為0.178 m/s，出口壓力設為標準大氣壓。本模型中設置加熱器內部傳熱為瞬態傳熱。每隔10 s對導熱針尖端溫度進行取樣，一共取樣300 s。

2 加熱器傳熱性能影響因素仿真分析

2.1 增加熱回收結構對傳熱的影響

所采用的熱回收結構是在導熱針尾部增加一塊帶孔圓板，可用來吸收對流氣體中的熱量，圖2為采用熱回收結構加熱器的導熱針。

圖2 采用熱回收結構的導熱針

圖3為有無熱回收結構對加熱器傳熱的影響。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 ℃以上才能對煙草制品進行加熱，因此針尖溫度到達220 ℃的時間以及220 ℃持續時間是表征加熱器傳熱性能的指標。而由圖3看出針尖端的溫度均大于220 ℃，能夠達到使用溫度，滿足加熱煙草的功能。另一方面對比圖3(a)和圖3(b)兩個云圖可知，沒有熱回收結構的加熱器整體溫度更高。

圖3 有熱回收結構和無熱回收結構的加熱器溫度云圖

圖4為熱回收結構對針尖端溫度的影響，從圖4可知，有熱回收結構的加熱器相較于無熱回收結構加熱器來說，針尖端溫度整體較低，但是有了熱回收結構后加熱器針尖端溫度較為穩定，持續加熱時間更長。這是因為炭源是從一端點燃而熱回收結構設置在另一端，在加熱前期炭源并未全部燃燒，熱回收結構溫度較低會從導熱針處吸收熱量從而導致導熱針尖溫度降低。但是到了加熱后期，熱回收結構可以反過來對導熱針進行加熱，對于導熱針尖溫度的保持是有益的。

圖4 有無熱回收結構對針尖端溫度的影響

2.2 不同流量對加熱器傳熱的影響

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，加熱器內部溫度逐漸減少，同時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。這是因為小流量沒辦法帶走加熱器內部的熱量，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，但是流量過大會帶走大量的熱并且會使炭燃燒時間變短從而導致整體溫度降低。

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。這是因為在前期隨著流量的增加，炭源燃燒越劇烈，因此導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熱逐漸變少，同時流量越大流速越快會帶走更多的熱量，導熱針尖端溫度反而會下降。因此在所選取的流量范圍內，2.4 L/min的入口流量對加熱器傳熱速率的提升作用最明顯，并且相較于低流量來說，傳熱速率最高提高了29%。

圖6 不同流量對針尖端溫度的影響

3 加熱器傳熱性能影響因素實驗驗證

3.1 傳熱性能測試平臺

為了驗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，現對加熱器進行傳熱實驗，測試平臺如圖7所示。

圖7 實驗測試平臺

實驗時將炭源塞入加熱器空腔內點燃，通過空壓機、過濾減壓閥以及流量計給加熱器輸入一個初始入口流量0.3 L/min，使得實驗條件與仿真保持一致。在導熱針尖端處布置熱電偶測點[10]，使用熱電偶溫度計對溫度變化進行記錄，取樣步長為10 s，采樣時間為300 s，每個實驗重復3次，取其平均值進行比較。

3.2 加熱器內針尖端溫度變化情況驗證

首先對加熱器有無熱回收結構兩種情況進行實驗，圖8為兩種結構下針尖端溫度與時間的關系圖。圖8展示了300 s內針尖端溫度上升的情況，從圖8可知，無熱回收結構的加熱器在69 s到達加熱溫度，而有熱回收結構的加熱器在89 s才能到達指定加熱溫度；在210 s左右時，無熱回收結構的加熱器針尖溫度開始下降，有熱回收結構的加熱器針尖溫度趨于穩定，這與仿真得到的規律一致。

圖8 兩種結構加熱器的針尖端溫度實驗曲線

此外，對不同流量下加熱器針尖端溫度隨時間變化情況也進行了實驗測試，圖9為不同流量下針尖端溫度與時間的關系圖。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，并且在一定范圍內流量越大，整體溫度反而降低。另外在所測流量下，加熱器針尖端溫度均超過了加熱溫度。這個實驗結果與仿真結果的趨勢基本一致。

圖9 不同流量下加熱器的針尖端溫度實驗曲線

綜上所述，通過實驗進一步證明了安裝熱回收結構會降低加熱器的加熱速率但是能夠延長加熱時間，增大風量會使得加熱器的加熱速率提升，但是風量過大會導致加熱溫度變低。故說明了不安裝熱回收結構并且通入流量為2.4 L/min時，加熱器傳熱性能最好。

4 結論

筆者對炭加熱煙草加熱器進行了建模處理，并運用有限元軟件仿真分析了不同影響因素對加熱器熱性能的影響，然后對炭加熱煙草加熱器進行了傳熱性能研究實驗，研究結果表明：

(1)通過安裝熱回收結構和改變入口流量大小對炭加熱煙草加熱器傳熱特性進行了進一步分析，從中得知安裝熱回收結構后，加熱器溫度上升速率變慢但是加熱時間變長，烘烤溫度更加均勻；同時入口流速越大，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。相交于低流量的結果來說，傳熱速率最高提高了29%。

(2)根據實驗結果可以得出，不安裝熱回收結構以及通風量為2.4 L/min時加熱器傳熱性能最好并且基本符合實際需求。