智能烟草干式低温加热实验仪的设计与应用

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(1.陕西中烟工业有限责任公司，宝鸡721013；2.中国农业大学，北京 100193；3.西安交通大学，西安 710000)

近年来，随着人们对于身体健康安全问题的逐渐关注，传统烟草制品行业面临着极为严峻的发展形势。世界卫生组织对新型烟草制品的特殊报告中指出，一些新型烟草制品的有害成分含量较低，其危害性也较低，是传统卷烟制品的理想替代品。因此，新型烟草制品逐渐开始成为烟草领域的研究热点[1-6]。其中，加热不燃烧型低温卷烟制品是指通过只加热烟草而不使其燃烧的方式释放烟草中各类物质组分，以供消费吸食的烟草制品[7]，在使用原料以及实际体验效果上更接近于传统卷烟，同时有研究表明加热不燃烧型低温卷烟的危害性也有大幅度的降低[8]，因此加热不燃烧型低温卷烟的相关研究开发逐渐成为国际以及国内烟草领域的关注重点。但是现在关于温度变化与烟草所产生烟气成分之间相关关系的研究，仍然存在很多未知的问题亟待解决[9，10]。

目前，关于加热不燃烧型低温卷烟方面的研究大多采用比较常规的热解分析仪器例如热重分析仪、差热分析仪、管式炉等实验装置[11，12]，一方面这些研究主要集中在烟叶的热裂解过程中的成分分析以及热量变化等，另一方面加热时产生的主流烟气及其他成分无法实现实时测量，无法全面精确的对温度与烟草成分的相关关系进行深入研究[13]。

为此，本研究设计并研制了一种智能温控烟草干式低温加热实验装置，用于和直线型吸烟机联用，组成低温烟气分析系统，用于考察在低温加热过程中，温度变化与烟草所产生烟气的相关关系，旨在为加热不燃烧型低温卷烟的分析及检测方法提供一定的帮助。

1 系统设计

本实验装置主要用于在加热状态下产生低温烟气从而一方面可供研究者直接评吸，另一方面也可与直线型吸烟机串联进行精确的化学成分分析。对此，通过本实验装置的硬件结构进行设计以满足应用需求，如图1所示。

本实验装置整体布局采用方形结构，将加热部分的加热腔、隔热保温腔以及实验腔都设置于本实验装置中，采用开关电源将220V交流电压转换为5V、12V的直流电压，供给控制电路以及三路风扇进行工作。3路风扇由普通继电器进行控制，其中两路为进气，即为低温烟草烟气的生成提供新鲜空气，一路为出气，即对实验装置内部电子元件进行温度保护。同时还设置一个保温隔热腔，一方面避免因为加热腔温度过高而造成实验装置内部元件的高温损坏，另一方面也起到保温作用，减少热交换，进一步提高热效率。

图1 硬件整体结构设计图

1.1 加热材料的设计

基于本实验装置总体设计方案，选用较为简单的电加热方式进行温度控制，而电加热元件种类繁多、性能各异，所以针对较为常用的电加热元件，进行了性能研究，具体分析如表1所示。

表1 电加热元件性能对比

按照设计目标要求，本实验装置所需达到的温度范围为0～500℃，并且加热过程应尽可能迅速，还应保持加热均匀性，同时基于本实验装置的硬件结构设计，所选加热材料还应具有绝缘性，因为加热腔内壁为金属材料，加热材料应选择高绝缘性材料以防止电路短路；其次，所选加热材料的高温特性应较为出色，一方面可以长时间工作于300℃到500℃之间，另一方面还可以迅速提升温度；最后还应保证加热过程迅速以及加热均匀等要求，在此，综合各方面因素，本实验装置最终选用高温陶瓷发热片作为本实验装置的加热腔内置加热源，同时选用定制尺寸的功率为100W的电加热片作为底部加热源以保证实验装置加热均匀性。

1.2 加热腔结构设计

由于加热腔的设计关系到本实验装置核心功能的实现以及工作稳定性、安全性等因素，所以合理的选材和设计具有重要作用。首先本文对一些常见的高温导热材料进行了对比，如表2所示。

基于本实验装置设计目标要求，加热腔体应具有较为出色的导热性以及热稳定性，确保加热效率的同时还应保证良好的加热均匀性，而且可以长期工作于高温环境中不发生形变等额外变化，紫铜由于其具有良好的导热性、稳定性、焊接性以及出色的延展性可以满足上述要求，基于制作成本以及可加工性，最终，我们选择紫铜作为加热腔和实验腔的制作材料，加热腔具体设计结构如图2所示。

图2 加热腔结构设计图

材料工作温度热导率特点实物图片氮化铝最高可稳定到2200℃约200W/mK1)导热性好,热稳定性好,耐热冲击性好。2)抗熔融金属侵蚀的能力强。3)电绝缘体,介电性能良好。导热绝缘硅胶片最高可到220℃0.8W/mK到3.0W/ mK1)能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位间的热传递。2)绝缘、减震、密封,是一种极佳的导热填充材料。铝碳化硅最高可到305℃170～200W/mK1)具有高导热率和可调的热膨胀系数。2)可按用户的具体要求而灵活地设计,密度与铝相当。紫铜最高可到900℃386.4 W/mK1)优良的导热性﹑延展性和耐蚀性。2)良好的耐蚀性3)良好的焊接性

因为本实验装置采用高温陶瓷发热片进行均匀加热，所以在加热腔内壁开4个槽，以放置两路4片高温陶瓷发热片进行加热，同时在加热腔底部放置一路加热片确保加热均匀性。其次，本实验装置设计有4路PT100温度传感器进行温度检测，所以在加热腔壁上开孔，以使PT100温度传感器与试验腔直接接触，温度测量更加精确。最后，因为在加热腔对烟草进行加热过程中，需不断提供新鲜空气进入实验腔，所以需设计进气通道，而本实验装置的进气孔设计的十分巧妙，在加热腔与隔离保温腔固定的螺丝上开孔作为进气，一方面既可实现硬件组装的固定，另一方面也实现了空气的进入。

1.3 实验腔结构设计

根据设计目标要求本实验装置具有腔体可调性，即可改变所盛放低温烟草样品的体积，实现对照试验，因此，我们采用组合的方式进行加热腔与实验腔的设计，加热腔体与实验腔体分别独立，但正常使用时可以紧密结合，尽量减少热传递损失，最终，实验腔以及腔盖的具体结构设计以及实物图如图3所示。

图3 实验腔与腔盖结构设计与实物图

对于实验腔来说，本实验装置设置3个外部尺寸相同，而内部腔体体积分别为1∶2∶4的实验腔以实现腔体可调性，在实验腔底部四周设置通气孔与加热腔通气孔连通，以达到通入新鲜空气的目的，而对于实验腔腔盖来说，首先我们在腔盖设置开孔，以达到烟气排出的作用，其次，腔盖顶部设置为延长管状接口，其尺寸大小要既可以在其中放置过滤装置以供直接抽吸评测，又可以与将其插入连通管道中与直线型吸烟机直接连接，最后在腔盖底部非开孔区域设置有一层隔热材料，尽可能降低实验腔与腔盖之间的热传递。经实验测试，该装置样品进样量为1～5g，相比于传统的热解分析仪器等装置具有更大的进样量，更适合用于微量组分的分析。

1.4 加热部分整体结构设计

本实验装置加热部分整体硬件结构设计如图4所示。本实验装置设置一个加热腔以及一个实验腔，加热腔用以进行迅速稳定的加热工作，实验腔则负责盛放低温烟草样品以产生烟气。加热腔内部设置3路均匀分布的加热源用以快速加热，通过3路固态继电器分别独立控制，使得温度调控更加精细。同时设置一个用以排出低温烟气的多功能接口，考虑到低温烟草样品的盛放与取出的便捷性，实验腔与腔盖应分离设计，并保证其密封性，以防低温烟气泄漏逸散。

图4 加热部分整体硬件结构设计图

1.5软件系统设计

设计选择C语言来开发本实验装置的软件系统，通过设计一种新型的、简单清晰且稳定可靠的软件系统框架，以实现软件系统控制以及响应的稳定性、准确性，代码如下所示：void timer0() interrupt 1 //2ms*10*5*10=100ms*10=1s

{

TH0=0xf1;

TL0=0xbd;

} break;

Click_10++;

if(Click_10>9)

{

Click_10=0;

Click_50++;if(Click_50>49){Click_50=0;}

}

}

void main(){} //仅负责初始化以及不执行任何操作的while(1)无限循环

基于这种新型软件系统框架，主程序流程如图5所示。在本实验装置软件系统设计中，设置有3种工作模式用以切换，分别为待机模式、设置模式以及工作模式，不同模式下所执行的功能操作也有所不同，待机模式下不执行功能操作，仅用以检测是否发生按键触发；设置模式下对于本实验装置所设置的八个功能参数进行读取、查询、修改以及保存等操作；工作模式下则负责读取设置参数与实际温度数值，进行分析比较后执行温度控制操作，风扇的开关操作采用按键手动控制。同时采用的是模块化程序设计的方式进行各功能操作部分的实现。

图5 主程序流程图

2 系统测试

系统整体测试，主要包括对于软硬件系统整体运行的测试，对于硬件系统的控制以及硬件系统对于软件系统的反馈信息的准确性、实时性以及有效性进行多方面的验证。工作状态的稳定性以及有效性进行多次测试。

2.1 加热性能验证

由于实验对于加热时间及温度控制的稳定性要求较为严格，所以主要进行了在全速加热模式下的实际加热测试，具体实验数据总结如表3所示。

表3 全速加热模式下实验装置测试结果表

由上述实验数据可见，在全速加热模式下，温度越高，所需加热时间越长，但最终可达到所设置目标温度(0～500℃)，满足实验需求；同时随着温度升高，稳定时间也越来越短。考虑到本实验装置因加热的实验腔体积较大，加热所需时间较长，为精确研究温度对烟气成分影响本文设计了配套的不锈钢金属网状进样装置，当实验温度达到实验要求时，将准确称量的样品装入进样装置中再快速装入仪器实现抽吸或检测，有效的避免了因升温带来的影响。

2.2 生烟实验测试

准确称取5g低温烟草样品并放入实验装置实验腔中进行加热，以观察是否有烟气产生情况，具体实验结果如表4所示。可见，本实验装置可以有效而且快速的生成烟气。在低温状态下所生成的烟气可以直接抽吸，方便低温烟草配方调整；同时，在具体运行过程中本实验装置也可直接与直线型吸烟机串联，为今后低温烟草的化学成分分析研究提供实验平台。

表4 全速加热模式下实验装置烟气产生情况

3 结论

为更好的分析研究低温加热不燃烧卷烟制品化学成分，设计了一种智能烟草干式低温加热实验仪，结果表明：该实验装置在0～500℃温度范围可以有效地实现温度控制，温度控制具有很好的稳定性；装置进样量为1～5g，相比于传统的热解分析仪器等装置具有更大的进样量，更适合用于微量组分的分析；同时该实验装置可以直接评吸方便调整叶组配方，也可与直线型吸烟机联用，为后续进一步的对于低温烟草烟气成分研究提供一个较为方便、准确、稳定的智能化实验平台。