電子煙霧化室的傳熱性能

郭健鈺　王小伍

（1.廣州市執信中學，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640）

電子煙霧化室的傳熱性能

郭健鈺1王小伍2

（1.廣州市執信中學，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640）

目前對電子煙的關鍵部件-霧化室的工作性能研究較少。為了找出消費者所反映的問題關鍵，采用FLUENT流體計算軟件模擬了電子煙霧化室的溫度、相比例等參數與時間的關系：當時間t=30s時，霧化氣體出口面面積加權溫度達到了333.74K。減小電阻絲單位面積功率或者硅膠熱傳導系數，均可使得氣體通道區域液相體積比減少。電阻絲功率為5.6×106W. m-2時，霧化氣體出口面面積加權溫度為329.54K，當硅膠熱傳導系數由0.35J.K-1.m-1減小到0.20J.K-1.m-1時，霧化氣體出口面面積加權溫度為333.70K。

電子煙；霧化器；傳熱傳質

1　引言

電子煙（見圖1）靠電池提供的電力工作，吸煙者吸氣時，壓力傳感器就會打開電阻絲開關加熱，煙彈中丙二醇、丙三醇被蒸發，將煙彈中含有的煙堿液霧化成蒸汽，使人產生吸煙的感覺。目前對電子煙的文獻報道集中在電子煙的健康性能、添加劑配方以及社會認可度方向［1-3］。國內外不少專利則解決了一些技術問題，JOURNO M S［4］等設計了支撐電子煙的設備，HU Y［5］發明了新型電子開關設備，LI S［6］等提出改善煙堿液的顆粒分布的方法。然而消費者反映的電子煙質量問題主要集中在：（1）在多次使用后，煙霧有異味，刺激喉嚨；（2）吸食多口后，煙霧溫度過高，有燙嘴的感覺。這些問題均與電子煙霧化室質量有關，霧化室的工作性能決定電子煙質量高低。

圖1　電子煙結構

目前的霧化技術主要有氣動霧化、超聲霧化、熱霧化等［7］，但沒有看到對電子煙的霧化技術的研究。周世萍［8］等人研究了超聲霧化進樣系統在電感耦合等離子體原子發射光譜中的應用。郭玉生［9］設計了水冷式加熱霧化室。花軍［10］等根據氣泡霧化理論，對不同氣液比豆膠與空氣在氣泡霧化噴嘴內部的流動情況進行了數值模擬。陳曦［11］等對新型振動式網孔霧化器進行了有限元的仿真分析。陳世柱［12］深入地分析了旋渦環縫式霧化器的工作特征。

本文通過實驗，獲得煙堿的熱物性數據，建立霧化室工作的理論模型，并利用FLUENT進行數值模擬，研究霧化室霧化性能，找到影響霧化室工作質量的關鍵因素。

2　材料與方法

2.1材料和儀器

（1）試劑。電子煙煙堿液（尼古丁質量含量1%）。

（2）儀器。差示掃描量熱儀（DSC，德國NETZSCH公司），熱傳導系數儀Hot Disc（瑞士進口TPS 2500）。

2.2方法

（1）DSC測量煙堿液的熱容。升溫速率2K.mim-1，每過5min采集一次數據，參比材料AL2O3，精確度10%。

（2）Hot Disc測量煙堿液熱傳導系數。測量準確度3%。

2.3數值計算模型

霧化室工作模型見圖2，鋰電池型號為3.7V/650mAh。利用GAMBIT軟件建立網格，FLUENT軟件進行模擬計算。“SOLER”選項組中選擇-“pressure-based”、“unsteady”、“implicit”，“phase”選擇“MIXTURE”/“condensation-evaporation”模型，設置物相為三相。邊界條件中設置煙氣出口為PRESSUREOUTLET，外壁面為WALL，與外界空氣自由換熱，設置硅膠、玻纖氣體通道、壁面、電極絕緣區域等區域交界面為INTERFACE型。浸泡煙堿液的E棉區域設置為孔隙率為90%的多孔材料區。

圖2　霧化室工作模型

3　結果與討論

圖3為煙堿液熱容隨溫度的變化曲線，從圖3中可以看出煙堿液在氣化前后的熱容大致呈線性變化，相變溫度大約在108oC左右。

圖3　熱容隨溫度的變化情況

圖4為煙堿液熱傳導系數隨溫度的變化情況，從圖4中同樣可以看出相變溫度大約在107oC左右，與熱容實驗得出的相變溫度基本吻合。相變之前，熱傳導系數隨溫度變大，相變后隨溫度減小。

圖4　熱傳導系數隨溫度的變化情況

消費者每次使用電子煙時的吸食次數為15次左右，按每次吸食對霧化室加熱的時間為2s計，加熱時間為30s相應的吸食次數即15次。圖5為通過fluent后期處理得到t=30s時刻、y=0平面的溫度分布圖和氣相體積比。

圖5　不同時刻的溫度分布和氣相體積比

從圖5（a）中可以看出，當t=30s時，加熱面附近區域的溫度已經上升到160oC左右，兩端的硅膠區域和電極絕緣區溫度也上升到56oC左右。從圖5 （b）中可以看出，當t=30s時，液相在玻纖氣體通道內的比例不為零，吸食者有可能吸入液態煙堿液，這也是吸食者覺察煙氣有異味的原因之一。

表1為由FLUENT計算得到的不同時刻出口平面的霧化氣體面積加權溫度。

從表1中可以看出，在t＜20s時，霧化氣體出口平面加權溫度上升較快，在t＞20s后，加權溫度上升速度減緩。t=20s時，霧化氣體的溫度已經上升到323.604K（與某電子煙生產廠家提供的實驗數據51oC接近），這時若繼續吸食，霧化氣體在出口處的加權溫度還繼續上升，吸食者將感覺煙氣燙嘴。

選擇熱傳導系數較低的硅膠，可以改變霧化室工作性能。圖6為硅膠的熱傳導系數由0.35J.k-1.m-1下降到0.2J.k-1.m-1時，模擬得到的霧化氣體在t=30s、y=0平面的溫度分布圖。對比圖6和圖5（a），兩圖顯示的整體溫度相差不大，硅膠熱傳導系數為0.20J.k-1.m-1時，Fluent計算的出口處加權溫度也僅降低了0.04K，但液相在氣體通道區域的體積加權百分比為6.675%，減少了13%。

表1　出口平面的霧化氣體面積加權溫度

適度降低電池功率，從而減小電阻絲溫度，煙氣出口溫度也可以降低，但氣化性能將有少許變化。當電池功率降低15%（電阻絲單位面積加熱功率為5.6×106W.m-2），t=30s時，霧化氣體出口處的面積加權溫度為329.54K。表2給出電阻絲單位面積加熱功率為6.6×106W.m-2和5.6×106W.m-2時，霧化氣體的質量流量和相比例。從表2可以看出，電阻絲加熱功率為5.6×106W.m-2時，后期的氣體通道區域液相體積比減少，減小了吸食者吸入液體煙堿的可能性，多孔區域氣體比例降低，更有利于煙堿液的流動，但出口面氣體質量流量也減少，不利于消費者吸食口感。

表2　霧化氣體的質量流量速度和氣液體積比

4　結論

采用FLUENT流體計算軟件模擬了電子煙霧化室的溫度、相比例等參數與時間的關系：當時間t=30s時，霧化氣體出口面面積加權溫度達到了333.74K。減小加熱電阻絲功率或者硅膠熱傳導系數，均可使得氣體通道區域液相體積比減少。電阻絲單位面積加熱功率為5.6×106W.m-2時，霧化氣體出口面面積加權溫度為329.54K，當硅膠熱傳導系數由0.35J.K-1.m-1減小到0.20J.K-1.m-1時，霧化氣體出口面面積加權溫度為333.70K。

［1］ Berg，C J， Stratton，E，Schauer， GL，et al.Perceived Harm，Addictiveness，and Social Acceptability of Tobacco Products and Marijuana Among Young Adults： Marijuana， Hookah，and Electronic Cigarettes Win［J］. SUBSTANCE USE& MISUSE，2015，50（1）：79-89.

［2］ Coleman，B N（Coleman， Blair N.），Apelberg， BJ （Apelberg，Benjamin J.），Ambrose，BK （Ambrose，Bridget K.），et al.ssociation Between Electronic Cigarette Use and Openness to Cigarette Smoking Among US Young Adults［J］.NICOTINE & TOBACCO RESEARCH，2015，17（2）：212-218.

［3］ Bunnell，R E （Bunnell， Rebecca E.），Agaku， IT （Agaku，Israel T.）， Arrazola， RA （Arrazola， Rene A.），et al.Intentions to Smoke Cigarettes Among Never-Smoking US Middle and High School Electronic Cigarette Users： National Youth Tobacco Survey，2011-2013［J］.NICOTINE & TOBACCO RESEARCH，2015，17（2）：228-235.

［4］ JOURNO M S，KARIO F P，JOURNO M，KARIO F. Supporting device for supporting e.g.electronic cigarette of motorist in cockpit of vehicle， has plasticized legs whose interior ends are provided with fixing unit for fixing cigarette，cigar or pipe in cockpit of vehicle［P］. FR3008362-A1；WO2015004602-A2；WO2015004602-A3.

［5］ HU Y. Electronic cigarette lighter， has lock/unlock module connected with logic control module and drive module for detection of blowing action， where control module receives input signal for driving drive module［P］.CN204104824-U.

［6］ LI S， KARLES G D，JUPE R， KOBAL G，MISHRA M K. Electronic smoking article e.g.electronic cigarettes，comprises liquid aerosol formulation， heater operable to partially volatilize liquid aerosol formulation and form aerosol， and tubular filter segment provided downstream of heater［P］.WO2015013109-A1；US2015027454-A1.

［7］ 郇延富，鄭健，馮國棟，等.等離子體原子光譜分析中溶液樣品霧化進樣方法的新進展［J］.分析化學，2003，31（4）：490-495.

［8］ 周世萍，段昌群，付惠，等.超聲霧化進樣技術在ICP2AES中的應用研究［J］.光譜學和光譜分析，2009，29（8）： 2254-2257.

［9］ 郭玉生.水冷式加熱霧化室的特性及其應用［J］.光譜學與光譜分析，1986（4）：61-63.

［10］ 花軍，張文程，賈娜，等.Shi基于數值模擬氣液比對豆膠氣泡霧化的影響［J］.東北林業大學學報，2014，42（2）：111-135.

［11］ 陳曦，李浩瑩.一種新型振動網孔式霧化器的設計［J］.機械與電子，2013（2）：3-7.

［12］ 陳世柱.影響霧化器工作效率的幾個因素［J］輕合金加工技術，1998，26（7）：43-46.

Heat transfer performance of atomizer of electronic cigar

Few researches are conducted about the work performance of key components of electronic cigar-- atomizer. This paper uses the FLUENT software to simulate the relationship between time and some related parameters， such as temperature， phase fraction etc. At t = 30 s， area-weighted average static temperature at outlet face reaches 333.74 K. Reducing the power of resistance per area or the thermal conductivity of silica gen can reduce the liquid volume fraction in gas passage zone. When the power of resistance per area is 5.6×106W.m-2， the area-weighted average static temperature at outlet face is 329.54 K. When the thermal conductivity of silica gen reduces from 0.35J.K-1.m-1to 0.20J.K-1.m-1， the area-weighted average static temperature at outlet face is 333.70 K.

Electronic cigar； atomizer； heat and mass transfer

TK12

A

1008-1151（2016）03-0052-03

2016-02-10

華南理工大學學生研究項目“界面性質對霧化的影響”（X21XD2134650）。

郭健鈺（1999-），男，廣東興寧人，廣州市執信中學學生，從事傳熱傳質實驗研究和理論分析；王小伍（1972-），女，湖南邵陽人，華南理工大學教授，研究方向為微尺度傳熱傳質的熱力學分析。