炭加热烟草加热器传热性能分析

郭彤洲，吴超群

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

随着生活水平的提高，人们越来越追求健康生活，传统卷烟虽口感较好，但是燃烧会产生有害物质，因此人们寻求一种新型烟草来替代传统卷烟的作用[1]。在此基础上，一种仅对烟草进行加热的方式应运而生，据研究表明只加热而不燃烧烟草能够减少高达90%的有害物质[2-3]。而炭加热不燃烧烟草作为一种新型烟草，具有对人体危害小、保留卷烟口感、环境友好[4]等优点，已经成为各大烟草公司研究的重点[5]。炭加热不燃烧烟草保持不燃烧需要使烟草温度在500 ℃以下[6]，但同时烟草制品需要在220 ℃以上加热温度才能对受热产生烟气[7]；传递到烟草端的热量是炭加热不燃烧烟草制品最重要的性能评价指标。而炭加热烟草加热器结构直接影响加热不燃烧烟草制品的传热性能，进而影响烟草端的温度。笔者围绕炭加热不燃烧烟草加热器传热性能展开研究，通过仿真分析与实验相结合的方式，对新型加热烟草加热器进行传热分析，研究不同流量和热回收结构对加热器传热性能的影响规律。

1 加热器模型建立与仿真设置

1.1 加热器模型建立

炭加热烟草加热器总体结构如图1所示，其主要是由燃烧室和加热室两部分构成，其中燃烧室内部包含用隔热材料制作而成的圆环，加热室内部起安放导热针和烟草的作用，燃烧室的外壳与加热室外壳通过焊接形成一体，共同构成加热器的外壳。炭源放置在圆环内作为加热器的热源为烟草提供热量，导热针下部的凸起部分与炭源直接接触，起到热量传递的作用。

图1 炭加热烟草加热器结构示意图

由于烟草加热器主体是对称结构，在仿真分析时可以对一半结构进行分析[8]。同时由于炭加热烟草加热器内部传热是各项同性，所用材料的性质也不随方向变化而变化，故可以对加热器模型进行降维处理，将其简化为二维平面模型进行传热仿真分析。而且可以将加热器模型上的一些不重要的细节特征删除，如倒角、螺纹等，以减少仿真计算量。

1.2 网格划分及传热模型设置

在COMSOL 5.6软件中对所建立的炭加热烟草加热器进行网格划分，划分后的网格数量为207 305。同时采用固体和流体传热模块以及层流模块对加热器传热进行分析[9]，并且设置了3种边界条件，入口边界条件设置在端盖处，入口流体的速度设置为0.178 m/s，出口压力设为标准大气压。本模型中设置加热器内部传热为瞬态传热。每隔10 s对导热针尖端温度进行取样，一共取样300 s。

2 加热器传热性能影响因素仿真分析

2.1 增加热回收结构对传热的影响

所采用的热回收结构是在导热针尾部增加一块带孔圆板，可用来吸收对流气体中的热量，图2为采用热回收结构加热器的导热针。

图2 采用热回收结构的导热针

图3为有无热回收结构对加热器传热的影响。从图3可知，加热器中的温度主要集中在炭源和导热针处，隔热层阻隔了大量的热传递，从而使得加热器外壁温度不至于过高，由于烟草加热温度在220 ℃以上才能对烟草制品进行加热，因此针尖温度到达220 ℃的时间以及220 ℃持续时间是表征加热器传热性能的指标。而由图3看出针尖端的温度均大于220 ℃，能够达到使用温度，满足加热烟草的功能。另一方面对比图3(a)和图3(b)两个云图可知，没有热回收结构的加热器整体温度更高。

图3 有热回收结构和无热回收结构的加热器温度云图

图4为热回收结构对针尖端温度的影响，从图4可知，有热回收结构的加热器相较于无热回收结构加热器来说，针尖端温度整体较低，但是有了热回收结构后加热器针尖端温度较为稳定，持续加热时间更长。这是因为炭源是从一端点燃而热回收结构设置在另一端，在加热前期炭源并未全部燃烧，热回收结构温度较低会从导热针处吸收热量从而导致导热针尖温度降低。但是到了加热后期，热回收结构可以反过来对导热针进行加热，对于导热针尖温度的保持是有益的。

图4 有无热回收结构对针尖端温度的影响

2.2 不同流量对加热器传热的影响

图5为不同流量下加热器温度云图。从图5可知，随着流量的增加，加热器内部温度逐渐减少，同时加热器壁面和燃烧室出口处温度也是随着气体流量逐渐减少。这是因为小流量没办法带走加热器内部的热量，造成热量在出口处的堆积，大流量虽然能提高炭源的燃烧效率提供更多的热量，但是流量过大会带走大量的热并且会使炭燃烧时间变短从而导致整体温度降低。

图5 不同流量下加热器温度云图

图6为不同流量对针尖温度的影响曲线。从图6可知，随着流量的增加，针尖端温度在前期上升速率越快，但是在中后期，随着流量增加，针尖端整体温度反而降低。这是因为在前期随着流量的增加，炭源燃烧越剧烈，因此导致温度曲线更加陡峭，到了中后期通入大流量的加热器炭源产热逐渐变少，同时流量越大流速越快会带走更多的热量，导热针尖端温度反而会下降。因此在所选取的流量范围内，2.4 L/min的入口流量对加热器传热速率的提升作用最明显，并且相较于低流量来说，传热速率最高提高了29%。

图6 不同流量对针尖端温度的影响

3 加热器传热性能影响因素实验验证

3.1 传热性能测试平台

为了验证炭加热烟草加热器传热性能影响因素仿真分析的正确性，现对加热器进行传热实验，测试平台如图7所示。

图7 实验测试平台

实验时将炭源塞入加热器空腔内点燃，通过空压机、过滤减压阀以及流量计给加热器输入一个初始入口流量0.3 L/min，使得实验条件与仿真保持一致。在导热针尖端处布置热电偶测点[10]，使用热电偶温度计对温度变化进行记录，取样步长为10 s，采样时间为300 s，每个实验重复3次，取其平均值进行比较。

3.2 加热器内针尖端温度变化情况验证

首先对加热器有无热回收结构两种情况进行实验，图8为两种结构下针尖端温度与时间的关系图。图8展示了300 s内针尖端温度上升的情况，从图8可知，无热回收结构的加热器在69 s到达加热温度，而有热回收结构的加热器在89 s才能到达指定加热温度；在210 s左右时，无热回收结构的加热器针尖温度开始下降，有热回收结构的加热器针尖温度趋于稳定，这与仿真得到的规律一致。

图8 两种结构加热器的针尖端温度实验曲线

此外，对不同流量下加热器针尖端温度随时间变化情况也进行了实验测试，图9为不同流量下针尖端温度与时间的关系图。从图9可知，随着流量增大，曲线越陡峭，针尖端温度上升速率越快，并且在一定范围内流量越大，整体温度反而降低。另外在所测流量下，加热器针尖端温度均超过了加热温度。这个实验结果与仿真结果的趋势基本一致。

图9 不同流量下加热器的针尖端温度实验曲线

综上所述，通过实验进一步证明了安装热回收结构会降低加热器的加热速率但是能够延长加热时间，增大风量会使得加热器的加热速率提升，但是风量过大会导致加热温度变低。故说明了不安装热回收结构并且通入流量为2.4 L/min时，加热器传热性能最好。

4 结论

笔者对炭加热烟草加热器进行了建模处理，并运用有限元软件仿真分析了不同影响因素对加热器热性能的影响，然后对炭加热烟草加热器进行了传热性能研究实验，研究结果表明：

(1)通过安装热回收结构和改变入口流量大小对炭加热烟草加热器传热特性进行了进一步分析，从中得知安装热回收结构后，加热器温度上升速率变慢但是加热时间变长，烘烤温度更加均匀；同时入口流速越大，加热器针尖端温度上升速率越快，但是加热器整体加热温度反而下降。相交于低流量的结果来说，传热速率最高提高了29%。

(2)根据实验结果可以得出，不安装热回收结构以及通风量为2.4 L/min时加热器传热性能最好并且基本符合实际需求。