加熱不燃燒卷煙預加熱過程熱量傳遞及溫度分布規律研究

中圖分類號：TS411 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0097-04

Abstract：Duetothecomplexeffctsof tobacco'sown thermalconductivity，specificheatcapacityandporosityonheat transferandtemperature，itisdificulttodetectandquantifytheeattransferlawintobacco.Aimingatthisprimaryproblemin heat-not-burncigaretes，thisresearchtoothesystemcomposedofsmokingutensilsandcigaretesastheobjectandused numerical simulationmethodstocarryoutastudyontheheattransferandtemperaturedistibutionofintegratedpreheatingof smokingutensilsandcigaretes，andobtainedtheheatincigaretesandsmokingutensilsThespreadlawsintobaccoandthe temperature distribution in tobacco laid a foundation for characterizing the release of tobacco smoke.

Keywords： temperature distribution; heat flow transfer;numerical simulation;tobacco; simulation modeling

加熱不燃燒卷煙的品吸體驗與傳統卷煙一樣，主要取決于煙氣的成分。傳統卷煙在明火狀態下，煙草及其中的添加劑發生燃燒現象，燃燒過程發生的化學反應等將各種成分釋放并形成煙霧，而過高的溫度使期望和有害成分同時析出。加熱不燃燒卷煙類型產品可通過適當降低產物析出溫度，可有效控制有害成分的釋放，該類產品的品吸效果卻極大程度地受加熱及溫度分布影響，這也是該類型煙草及其適配煙具的研究重點和難點。

研究發現，新型煙草作為加熱不燃燒卷煙的原材料，其基本性能參數對加熱過程的流動仿真有很大的影響，尤其是熱傳導特性和孔隙特性。由多孔介質的基本定理可知，熱量在傳遞中既有熱傳導也存在對流，這正對應了多孔介質的導熱系數和孔隙率。許多學者針對比熱容對熱量傳遞和溫度分布的影響開展了研究工作，但未能有效量化比熱容的影響，

本文研究針對加熱不燃燒卷煙存在的這些問題，擬采用通行的流動仿真方法，將煙具和煙草等綜合成一個整體，以熱傳導系數、孔隙率和比熱容為可變參量，分析這些變量，對加熱不燃燒卷煙預加熱過程熱量傳遞及溫度分布規律展開研究，為該類型煙草的開發與產品優化提供方法和數據。

1熱流動及與溫度分布的數值仿真建模

如圖1所示，計算模型結構由加熱針、托杯與殼體和煙支（煙草段 + 支撐段）等組成。坐標系原點設定于加熱針根部中心， ox 代表抽吸過程煙氣的流動方向， or 為半徑方向， _o-rx 組成直角笛卡爾坐標系，該模型符合二維軸對稱結構。 x=5mm.x=9mm 和 x=14mm 3條線表示后續仿真數據處理時的特征線，將主要提取沿這些線的溫度分布。

仿真分析采用了某煙具控制系統的實測加熱曲線，開展多影響參數在預加熱過程對加熱和流動的影響。具體研究2個方面內容： ① 模擬加熱針實際加熱曲線驅動下，熱量是如何借助于加熱針本體換熱至煙草和支撐段； ② 研究多參數對加熱過程的影響，包括熱傳導率、孔隙率及比熱等。

1.1仿真模型及參數

流動仿真采用二維軸對稱模型仿真三維流動對象，常見典型軸對稱流動有炮彈、火箭、水雷、機身、水輪機和水泵的工作輪內流動等。式（1）和式（2）給出了二維軸對稱無黏流模型

其中

式中： U，F^（U），G^（U），W（U，r） 分別為矩陣形式的變量、通量和軸對稱項； x 和 r 為二維坐標： _;ρ 為燃氣的等效混合流密度； u 為坐標方向 x 的流動速度； v 為坐標方向 r 的流動速度； E 為單位質量的能量； H 為單位質量的焓； p 為壓強。

仿真采用正方形網格，網格尺寸為 0.04mm ，不考慮附面層。加熱數據通過程序進行提取，圖2為本研究采用的加熱針在預加熱過程輸出的溫度-時間曲線，預加熱時間為 20s_c 0

表1列出了本研究涉及的材料及其屬性值。

1.2 分析工況設定

預加熱過程主要是對煙草段的加熱，故將煙草段的熱傳導系數 0.18W/m?K 、孔隙率0.77和比熱容2 080J/kg?K 作為基礎算例的設定值。為研究個別因素影響采用單一變量計算，為此設定以下算例。 ① 基礎算例。導熱系數 0.18W/m?K 孔隙率0.77，比熱容2 080J/kg?K 。 ② 熱傳導系數變化算例1。導熱系數0.09（-50%）W/m?K. 孔隙率0.77，比熱容 2080J/kg?K 。③ 熱傳導系數變化算例2。導熱系數 0.36（+100%）W/m^?K， 2孔隙率0.77，比熱容 2 080J/kg?K 。 ④ 孔隙率變化算例1。導熱系數 0.18W/m^?K， 孔隙率 ，比熱容 2080J/kg?K 。 ⑤ 孔隙率變化算例2。導熱系數0.18W/m^?K. 孔隙率 0.95（≈1.0） ，比熱容 2080J/kg?K 。⑥ 比熱容變化算例1。導熱系數 0.18W/m^?K 孔隙率0.77，比熱容 1664（-20%）J/kg?K. 。 ⑦ 比熱容變化算 例2。導熱系數 0.18W/m?K 孔隙率0.77，比熱容2496 （+20%）J/kg^?K_c

2基礎算例仿真結果與分析

2.1傳熱及流動仿真結果

由圖3可知，在預加熱完成后， 20s 時加熱針中心部位 r=2mm （煙支直徑約為 7.3mm 處的溫度約為431K，而煙支壁面處的溫度則約為 308K ，可見預加熱釋放的熱量傳遞到煙支壁面的比例還是偏少的，僅是壁面處的溫度升高了約8K，大量的熱量集中在加熱針附近區域，可知該區域的煙霧釋放必定是比較大的。

2.2 熱流動分析

加熱過程熱量的釋放造成煙草部分區域的煙氣壓強增大，煙氣在壓強驅使下開始流動，流動的方向依煙具結構設計而定，良好的流動通道設計可以使得加熱及溫升受控并達到理想狀態，由圖4可見，煙氣流動的速度流和熱流分布情況，結果符合計算模型設定的邊界條件。

3主要參數對熱量傳遞的影響

本研究影響熱量傳遞和溫度分布的主要因素有煙草的孔隙率、材料的熱傳導系數和材料的比熱容。通過在基礎算例的基礎上變換這些變量的數值，可以模擬出該因素變化對流動及傳熱的影響情況，為煙具性能的改善和新煙支的研發提供指導性數據。

3.1 孔隙率對傳熱及流動的影響

圖5為 x=9mm 沿半徑方向的溫度數據繪制的溫度-半徑曲線。曲線的走勢趨勢一致，但增大孔隙率和減小孔隙率與基準算例相比，沿半徑方向溫度歷程曲線存在不同程度的交叉，說明孔隙率對熱量的傳遞不是線性的。同時可見，熱量達到煙紙（ _r≈3.65mm 時的溫度也不一樣，總體上孔隙率變小，熱量傳遞得更遠一點。

3.2導熱系數對傳熱及流動的影響

圖6曲線的變化呈現出，隨著煙草熱傳導系數增大，熱量穿過煙草傳遞時及煙紙壁面溫度升高的趨勢時是不一樣的，影響的范圍約有 30^qC 。曲線的高度（即溫度大小）在各界面上，均是溫度幅值變化算例2大于基礎算例大于算例1。

3.3 比熱容影響分析

如圖7所示，比熱容相差 40% ，煙支內部和煙紙壁面上的溫度分別相差 3.4% 和不足 1% ，變動的趨勢符合預期，但是變動量十分有限，主要是因為預加熱階段加熱元件輸出的熱量主要用來加熱煙草，單根煙支的質量約為 0.32g ，加熱元件預加熱過程瞬時功率約為 15J/s ，較少的煙草質量與相對較大的輸出熱量使得本算例中比熱容的改變帶來的溫度變化無法明顯體現出來。

4結論

煙支結合煙具的流動仿真可以模擬加熱不燃燒卷煙的預加熱過程，給出的計算結果可以表征熱量的傳遞和溫度分布；孔隙率的增大和減小對不同煙草而言，帶來的影響并非線性增大或減小，具有非線性特征；煙草薄片的熱傳導系數越大，越有利于熱量在煙草中的傳遞，越有利于煙草的加熱；由于煙草部分質量非常小，加熱元件的熱量輸出又相對較大，所以比熱容的變動對煙草的加熱效果并不明顯。

參考文獻：

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