不同溫度條件下煙絲—發(fā)煙劑體系熱物性研究

馬亞萍 - 劉朝賢 - 王 樂 張明建 - 張 柯 鄧 楠 魯端峰 - 湯建國 - 劉向真 -

(1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001；2. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231;3. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000) (1. Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou, Henan 450001, China; 2. China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming, Yunnan 650231, China; 3. Technology Ceter, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450000, China)

不同溫度條件下煙絲—發(fā)煙劑體系熱物性研究

馬亞萍1MAYa-ping1劉朝賢1LIUChao-xian1王 樂1WANGLe1張明建1ZHANGMing-jian1張 柯1ZHANGKe1鄧 楠1DENGNan1魯端峰1LUDuan-feng1湯建國2TANGJian-guo2劉向真3LIUXiang-zhen3

(1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001；2. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231;3. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000) (1.ZhengzhouTobaccoResearchInstituteofCNTC,Zhengzhou,Henan450001,China; 2.ChinaTobaccoYunnanIndustrialCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650231,China; 3.TechnologyCeter,ChinaTobaccoHenanIndustrialCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450000,China)

采用瞬態(tài)平面熱源法對加熱非燃燒煙草制品的煙絲-發(fā)煙劑(丙三醇與丙二醇質(zhì)量比5∶1)體系的熱物性進(jìn)行研究，分析含水率和發(fā)煙劑含量對再造煙葉絲和烤煙絲熱物性的影響。結(jié)果表明，隨溫度(22～75 ℃)的升高，煙草物料導(dǎo)熱系數(shù)增大[再造煙葉絲0.06～0.12 W/(m·K)、烤煙絲0.06～0.16 W/(m·K)]，熱擴(kuò)散系數(shù)減小(再造煙葉絲0.33～0.05 mm2/s、烤煙絲0.40～0.09 mm2/s)，體積熱容增大[再造煙葉絲0.17～2.70 MJ/(m3·K)、烤煙絲0.15～1.45 MJ/(m3·K)]；隨含水率(濕基含水率0%～13%)的增大，煙草物料導(dǎo)熱系數(shù)增大、熱擴(kuò)散系數(shù)減小、體積熱容增大；隨發(fā)煙劑含量(0%～25%)的增大，煙草物料導(dǎo)熱系數(shù)呈增大趨勢，但變化很小[再造煙葉絲增大0.005 W/(m·K)，烤煙絲增大0.006 W/(m·K)]，熱擴(kuò)散系數(shù)減小(再造煙葉絲減小0.069 mm2/s，烤煙絲減小0.069 mm2/s)，體積熱容增大[再造煙葉絲增大0.106 MJ/(m3·K)，烤煙絲增大0.138 MJ/(m3·K)]。

含水率；發(fā)煙劑含量；導(dǎo)熱系數(shù)；熱擴(kuò)散系數(shù)；體積熱容

加熱非燃燒煙草制品是一種新類型的煙草制品。通過特殊的加熱源對煙絲進(jìn)行加熱，加熱時(shí)煙絲中的尼古丁及香味物質(zhì)通過揮發(fā)產(chǎn)生煙氣來滿足吸煙者需求，由于其煙氣中有害物含量較低而得到社會(huì)廣泛關(guān)注。按熱源不同此類煙草制品主要包括電加熱型、碳加熱型、理化反應(yīng)加熱型及其他熱源型制品。

加熱非燃燒型煙草制品，已經(jīng)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，它從原理上改變了傳統(tǒng)卷煙的燃燒方式。研究發(fā)現(xiàn)[1-4]，與傳統(tǒng)卷煙(1R4F)相比，加熱非燃燒卷煙焦油等燃燒產(chǎn)物較少，苯并(a)芘、N-硝基胂胺、酚類化合物、乙醛、丙烯醛、氰化氫和N-雜環(huán)化合物降低了90%～99%，尼古丁和一氧化碳的產(chǎn)率小于市售卷煙的95%和75%，遺傳毒性顯著降低。楊繼等[5-6]研究了空氣氛圍下典型電加熱和炭加熱新型卷煙材料的揮發(fā)性，吡嗪和呋喃酮類的釋放量低于傳統(tǒng)卷煙。

煙草物料在受熱過程中，其導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和體積熱容等熱物性與物料溫度變化狀態(tài)緊密相關(guān)，是進(jìn)行傳熱現(xiàn)象和煙氣產(chǎn)生機(jī)制分析的重要基礎(chǔ)。瞬態(tài)平面熱源法廣泛用于木材、孜然籽和煙草等熱敏性物質(zhì)材料熱物性的研究[7-10]。陳則韶等[11-13]用平面熱源過渡態(tài)平板法測定了煙草的熱物性，研究了不同煙草類型熱物性與含水率、堆密度等的關(guān)系。韓瑩[14]、林慧等[15]采用瞬態(tài)平面熱源法測量煙草熱物性，研究煙草類型、產(chǎn)區(qū)、堆積密度、溫度和含水率等對煙草熱物性的影響規(guī)律，并建立相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)模型。新型煙草制品發(fā)煙劑主要為甘油、丙二醇，有學(xué)者[16-17]對添加了甘油等的卷煙煙絲的保潤性能做了相關(guān)研究，但關(guān)于此類物料體系的熱物性研究仍較缺乏，影響了對新型煙草發(fā)煙機(jī)理的深入認(rèn)識。

本試驗(yàn)以再造煙葉絲和烤煙絲為煙草原料，采用甘油、丙二醇作為發(fā)煙劑，通過TPS測量方法考察煙草-發(fā)煙劑體系在不同溫度條件下導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)與體積熱容變化規(guī)律，同時(shí)基于表面接觸理論建立了煙草-發(fā)煙劑體系導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

以法國摩迪再造煙葉絲與云南云煙87 C3F烤煙葉絲為原料；

甲醇、丙三醇、丙二醇、丁二醇、乙醇、正己烷、卡爾費(fèi)休試劑：AR級，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；

HOT-DISK熱常數(shù)分析儀：2500S型，瑞典Hot Disk公司；

電子天平：PL3001-S型，瑞士Mettler公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9623A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

氣相色譜：5890型，安捷倫科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測量原理 瞬態(tài)平面熱源法測定材料熱物性的原理是基于無限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng)，通過記錄一段時(shí)間內(nèi)探頭溫度感應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系，可以較為準(zhǔn)確地得到熱物性參數(shù)。

1.2.2 水分和發(fā)煙劑含量的測定

(1) 水分含量：按GB/T 23203.2—2008執(zhí)行。

(2) 發(fā)煙劑含量：按YC/T 243—2008執(zhí)行。

1.2.3 熱物性的測量 稱取一定量的煙絲，均勻裝入樣品倉中，制成干基堆積密度為0.158 g/cm3的煙絲樣品，放入恒溫裝置中平衡溫度3 h，用TPS熱常數(shù)分析儀測定導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和體積熱容。分別考察不同溫度(22，45，60，75 ℃)和含水率(0%，5%，9%，13%)對煙草-發(fā)煙劑體系熱物性的影響；常溫條件下，研究發(fā)煙劑含量(0%～30%)對煙草體系熱物性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度與含水率對煙絲-發(fā)煙劑體系熱物性的影響

由圖1～3可知：隨溫度的升高，再造煙葉絲和烤煙絲的導(dǎo)熱系數(shù)增大、熱擴(kuò)散系數(shù)減小、體積熱容增大；隨含水率的增大，再造煙葉絲和烤煙絲的導(dǎo)熱系數(shù)增大、熱擴(kuò)散系數(shù)減小、體積熱容增大。在22～75 ℃時(shí)，絕干再造煙葉絲和烤煙絲的導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容分別為0.058～0.067 W/(m·K)和0.17～0.32 MJ/(m3·K)，查閱文獻(xiàn)[18]可知，水的導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容分別為0.603～0.670 W/(m·K)和4.17～4.08 MJ/(m3·K)。煙絲可看成是由煙絲固體骨架、水和空氣的串并聯(lián)組合，溫度增大，煙絲骨架、空氣和水的導(dǎo)熱系數(shù)增大，所以總的導(dǎo)熱系數(shù)增大；體積熱容由各組分的體積熱容決定，溫度增大，煙絲、空氣體系體積熱容增大，水的體積熱容減小，煙絲、空氣體積熱容的增大速率大于水的體積熱容減小的速率，總的效果是溫度增大，體積熱容增大。

2.2 發(fā)煙劑含量對煙絲-發(fā)煙劑體系熱物性的影響

在干基堆積密度0.158 g/cm3的條件下，研究常溫下發(fā)煙劑含量對再造煙葉絲和烤煙絲熱物性的影響和溫度對煙絲-發(fā)煙劑體系熱物性的影響。

2.2.1 常溫條件下發(fā)煙劑含量對煙絲-發(fā)煙劑體系熱物性的影響 由圖4～6可知，隨發(fā)煙劑含量增大，再造煙葉絲和烤煙絲導(dǎo)熱系數(shù)呈增大的趨勢，但增大的很少，熱擴(kuò)散系數(shù)減小，體積熱容增大。相同溫度、堆積密度、發(fā)煙劑含量和含水率的再造煙葉絲和烤煙絲，其導(dǎo)熱系數(shù)的不同主要是因?yàn)閮?nèi)在組分的不同和煙絲長度的不同。可以看出，發(fā)煙劑對再造煙葉絲和烤煙絲的導(dǎo)熱系數(shù)影響很小。22 ℃時(shí)，水和丙三醇的導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容都遠(yuǎn)大于空氣，熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于空氣，所以含水率和發(fā)煙劑含量增大，導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容增大，熱擴(kuò)散系數(shù)減小。

圖1 再造煙葉絲和烤煙絲的導(dǎo)熱系數(shù)的變化Figure 1 The variation of the thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖2 再造煙葉絲和烤煙絲熱擴(kuò)散系數(shù)的變化Figure 2 The variation of the thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖3 再造煙葉絲和烤煙絲體積熱容的變化Figure 3 The variation of the volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

2.2.2 不同溫度下發(fā)煙劑含量對煙絲-發(fā)煙劑體系熱物性的影響 由圖7～9可知，隨溫度的升高，再造煙絲和烤煙絲的導(dǎo)熱系數(shù)增大、熱擴(kuò)散系數(shù)減小、體積熱容增大。由表1可知，水和丙三醇的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，前已述及煙絲-空氣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，所以煙絲-發(fā)煙劑體系導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大；水的體積熱容隨溫度的升高而減小，丙三醇的體積熱容隨溫度的升高而增大，煙絲-空氣體積熱容隨溫度的升高而增大，并且水在溫度較高的條件下易揮發(fā)而造成體積熱容虛擬快速增大，綜合效果，隨溫度的升高，煙絲-發(fā)煙劑體系體積熱容增大。

圖4 22 ℃時(shí)再造煙葉絲和烤煙煙絲導(dǎo)熱系數(shù)

Figure 4 The thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco at 22 ℃

圖5 22 ℃時(shí)再造煙葉絲和烤煙煙絲熱擴(kuò)散系數(shù)

Figure 5 The thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco at 22 ℃

圖6 22 ℃時(shí)再造煙葉絲和烤煙煙絲體積熱容

Figure 6 The volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco at 22 ℃

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)模型的建立

采用W.Jackson表面接觸模型結(jié)合熱阻法建立簡化條件下煙絲-發(fā)煙劑體系導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測模型[19]，建立常溫條件下煙絲-水，發(fā)煙劑-空氣三相混合體的導(dǎo)熱系數(shù)模型，見式(1)。

圖7 再造煙葉絲和烤煙絲導(dǎo)熱系數(shù)的變化Figure 7 The variation of the thermal conductivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖8 再造煙葉絲和烤煙絲熱擴(kuò)散系數(shù)的變化Figure 8 The variation of the thermal diffusivity of reconstituted cut tobacco and flue-cured tobacco

圖9 再造煙葉絲和烤煙絲體積熱容的變化Figure 9 The variation of the volume heat capacity of reconstituted cut tobacco and flue-cured表1 不同溫度下純物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容[18]Table 1 Thermal conductivity and thermal diffusivity of pure material at different temperatures

溫度/℃空氣導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)體積熱容/(MJ·m-3·K-1)水導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)體積熱容/(MJ·m-3·K-1)丙三醇導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)體積熱容/(MJ·m-3·K-1)200.025930.00120.5984.1780.28722.966400.027560.00110.6244.1440.28973.045600.028960.00110.6514.1120.29273.130800.030470.00100.6694.0780.29523.208

(1)

當(dāng)煙絲含水率為零時(shí)，Cαβ=0，得

(2)

式中：

Cαα——堆積煙絲固相與固相接觸度，%；

Cαβ——堆積煙絲固相與液相接觸度，%；

Cαγ——堆積煙絲固相與氣相接觸度，%；

φα,φβ,φγ——堆積煙絲中固相、液相、氣相體積分率，%；

λ——被測材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

其中煙絲骨架導(dǎo)熱系數(shù)可以用兩相散亂堆積體幾何平均模型λ=λα1-ελγε計(jì)算得到。ε為絕干煙絲占整體堆積煙絲體積的體積分率，需要測定絕干煙絲的表觀密度進(jìn)而求的堆積煙絲骨架體積。試驗(yàn)測定再造煙葉絲的表觀密度1.49 g/cm3，烤煙煙絲表觀密度1.10 g/cm3，計(jì)算得再造煙葉絲和烤煙煙絲骨架導(dǎo)熱系數(shù)為7.131，1.114 W/(m·K)。

圖10為再造煙葉絲和烤煙絲試驗(yàn)值和模擬值比較，二者平均偏差為0.003 9，相對偏差在10%以內(nèi)。

圖10 煙絲導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值和模擬值Figure 10 Experimental and simulated values of thermal conductivity of tobacco

3 結(jié)論

隨溫度(22～75 ℃)的升高，煙草物料導(dǎo)熱系數(shù)增大(再造煙葉絲增大100%，烤煙絲增大167%)、熱擴(kuò)散系數(shù)減小(再造煙葉絲減小85%，烤煙絲減小78%)、體積熱容增大(再造煙葉絲增大15倍，烤煙絲增大9倍)；常溫條件下，隨發(fā)煙劑含量(0%～25%)的增大，煙草物料導(dǎo)熱系數(shù)呈增大趨勢，但變化很小(再造煙葉絲增大8%，烤煙絲增大10%)，熱擴(kuò)散系數(shù)減小(再造煙葉絲減小26%，烤煙絲減小29%)，體積熱容增大(再造煙葉絲增大44%，烤煙絲增大55%)。基于串并聯(lián)分析的物料導(dǎo)熱模型同樣適用于煙絲-發(fā)煙劑物料體系，并且能得到較好的預(yù)測效果。

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Studyonthermophysicalpropertiesoftobaccoandsmokeagentunderdifferenttemperature

The thermophysical properties of tobacco and smoke agent (the mass ratio of glycerol and propylene glycol is 5∶1) was measured by transient plane heat source method, and the effects of moisture and smoke agent content on reconstituted cut tobacco and flue-cured were measured. The results showed that with the increase of temperature (22～75 ℃), thermal conductivity [0.06～0.12 W/(m·K) and 0.06～0.16 W/(m·K] and volume heat capacity [0.17～2.70 MJ/(m3?K) and 0.15～1.45 MJ/(m3?K)] increased; however, the thermal diffusivity decreased (0.33～0.05 mm2/ s and 0.40～0.09 mm2/ s, respectively). With the increase of moisture content (0%～13%) , the thermal conductivity and the volume heat capacity of tobacco materials increased, however, the thermal diffusivity decreased. With the increase of smoke agent content (0%～25%), the thermal conductivity of tobacco material [0.005 W/(m·K) and 0.006 W/(m·K)], the volume heat [0.106 MJ/(m3?K) and 0.138 MJ/(m3?K)] increased slightly, but the thermal diffusivity decreased ( 0.069 mm2/ s and 0.069 mm2/ s, respectively).

moisture content; smoke agent content; thermal conductivity; thermal diffusivity; volume heat capacity

中國煙草總公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(編號：110201503001)；中國煙草總公司科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(編號：110201401018)；云南省科技計(jì)劃青年項(xiàng)目(編號：2017FD238)

馬亞萍，女，中國煙草總公司鄭州煙草研究院在讀碩士研究生。

魯端峰(1979—)，男，中國煙草總公司鄭州煙草研究院高級工程師，博士。E-mail：05498119@163.com

2017—05—04

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.014