邓波,胡硕,阮艺斌,董睿,刘与铭,刘剑,童富强*
贵州中烟工业有限公司技术中心,贵州贵阳 550009
摘要：利用有限元分析软件对微管结构进行了数值传热模拟，再现了不同结构、不同材料微加热管温度场分布并对瞬态温升曲线加以研究。结果表明：微加热管温度场分布和瞬态温升曲线与材料导热系数相关性较大；开孔周向长度较开孔轴向长度对微管结构温度场分布和瞬态温升曲线影响较大。
关键词：不燃烧卷烟；数值模拟；热分析；温升曲线
0 引言
加热不燃烧卷烟是通过加热不燃烧烟草的方式向消费者提供尼古丁和烟草特征香气。由于烟草材料不参与燃烧，受热温度低于500℃，主流烟气中高温裂解产生的有害物质的释放量得到大幅度降低；同时，烟草材料在加热过程中处于较为密闭的空间，基本无侧流烟气，大大降低二手烟的危害[1]。
目前市面上相关产品以电加热方式为主，如菲莫IQOS烟具、英美烟草的GLO等。但市面上主要的加热烟具都普遍存在一个问题，即烟具的加热区固定，在加热过程中烟支位置也是固定，出现了对烟草材料加热时间过长的情况，从而导致了加热不燃烧卷烟烟气逐口抽吸不一致现象[2-3]。以GLO配套其烟支的烟气分析为例，烟碱出现明显逐渐下降趋势。为了解决这个问题，其采用了分段加热技术，但其烟气总体上也出现了两段式下降趋势。
1 不燃烧卷烟加热器导热管结构设计
1.1 不燃烧卷烟加热器导热管原始结构
不燃烧卷烟加热器导热管作为加热器核心结构部件，其结构会对烟支加热效果产生决定性影响。根据配套烟支尺寸，设计加热器导热管原始内径为5.45mm，长度为40mm，厚度为0.25mm，外缘设置有与片状加热器贴合的矩形平台，平台宽度为3mm，平台长度为40mm，片状加热器尺寸为15mm×3mm×0.3mm。结构如图1.1所示。
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1.2 不燃烧卷烟加热器导热管结构改进
为解决烟草材料加热时间过长导致的烟气逐口抽吸不一致现象，通过在导热管上设置方形通孔，从而对导热管管壁局部温度场分布进行改善，进而达到对烟支局部加热温度进行控制的目的。方形通孔位置均在导热管与片状加热器贴合的平面上，方形通孔设置方案表1.1和表1.2所示。表1.1中方案1-1为原始结构，单孔方案中开孔位置由片状加热器末端位置决定。
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2 不燃烧卷烟加热器导热管传热数值模拟
2.1 前处理设置
利用有限元分析软件对导热管加热过程中的温度场分布进行计算，考虑到计算机硬件资源限制，需要对模型进行合理简化，此处忽略加热片体积，将其简化为面状恒温热源，设置温度恒定为220℃，对模型进行稳态和瞬态热分析。导热管常用材质物性参数如表2.1所示。
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2.2 单孔导热管热分析
2.2.1 单孔导热管稳态热分析
稳态热分析通常用于模拟导热管传热稳定后的温度场分布。由于不考虑瞬态传热效应，此时导热管吸收和散发的热量达到平衡。开孔不止影响热传导效果，同时影响导热管自身热容以及导热管与空气之间的热交换效率，由图可知，加热管温度场沿长轴方向呈梯度分布。图2.1为表1.1中方案1-2温度场分布云图。
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图2.2为单孔导热管表面最低温度对比，由图可知，开孔导热管稳态最低温度均比不开孔导热管稳态最低温度低，从1-2、1-3、1-4和1-5、1-6可知，随着开孔大小增大，最低温度逐渐降低，对比1-3、1-5、1-6可知，开孔长度（周向）不变，随着开孔宽度（轴向）的增加，最低温度略有下降。由图可知，开孔长度对导热效果的影响强于开孔宽度。
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2.2.2 单孔导热管瞬态热分析
图2.3为方案1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6瞬态加热过程加热效果对比，纵坐标为加热器最低温度。由图可知，初始温度为室温22℃，对比1-1、1-2、1-3、1-4可知，随着开孔大小（弧长）的增大，温升速率逐渐减小；对比1-3、1-5、1-6可知，随着开孔宽度增加，温升速率减小，但减小幅度很小。说明开孔长度（周向）对温升速率的影响远大于开孔宽度（轴向）。
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2.3 多孔导热管热分析
2.3.1 多孔导热管稳态热分析
如图2.4所示，不同开孔数的导热管温度场分布区别不大，随着开孔数目的增多，导热管上的最低温度略微减小，说明开孔数对导热管稳态温度场分布影响不明显。
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2.3.2 多孔导热管瞬态热分析
图2.5为方案2-1、2-2、2-3、2-4瞬态加热过程加热效果对比，图中温度为加热器最低温度。由图可知，初始温度为室温22℃，对比可知，随着开孔数目增多，温升速率逐渐减小。
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2.4 不同材料导热管热分析
2.4.1 不同材料导热管稳态热分析
此处主要分析材料物性参数对导热管传热效果的影响，导热管模型采用方案1-1，即不开孔方案。通过数值计算可知，H59导热管最低温度为201.69℃，不锈钢导热管最低温度为125.28℃，氧化铝陶瓷导热管最低温度为140.9℃，所以材料导热系数对导热管稳态温度场分布影响较大，热容对导热管稳态温度场分布影响较小。
2.4.2 不同材料导热管瞬态热分析
H59、不锈钢、氧化铝陶瓷导热管瞬态加热过程加热效果对比如图2.6所示，图中温度为加热器最低温度。由图可知，H59导热管温升速率远远高于另外两种材料导热管，材料导热系数在这中间起到关键性作用。
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3 结语
本文应用有限元分析软件对不同结构的不燃烧卷烟加热器导热管进行了传热模拟，分析了开孔位置和开孔数量以及导热管材料对导热管导热效果的影响，得到开孔周向长度较轴向长度对温度场影响较为明显，开孔数木对温度场影响较为不明显；分析不同材料导热管传热效果，导热系数对温度场分布影响较大，导热系数越大，导热管温升速率越大。
参考文献：
[1]郑绪东,李志强,王程娅,等.不同加热温度下电加热不燃烧卷烟烟气释放特性研究[J].安徽农业科学,2018,46(36):168-171.
[2]魏信建,邹金慧,等.加热型卷烟烟具加热器温度场分布数值模拟[J].研究与设计,2020,43(17):1-6.
[3]时春鑫,郑绪东,吴建德,等.加热卷烟加热元件温度场分析及试验研究[J].烟草科技,2020,53(11):89-96.