電加熱卷煙傳熱與原料組分變化的數(shù)值模擬

高嶧涵，黃潔潔，王雨青，吳晉祿，蔣 旭，高 潔，高乃平*

1.上海新型煙草制品研究院，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733號(hào) 201315

2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海市四平路1239號(hào) 200092

電加熱卷煙利用電子元器件（如加熱針、加熱片）對(duì)煙草材料進(jìn)行加熱，煙草材料受熱后釋放出水分、霧化劑、煙堿等物質(zhì)，可以給消費(fèi)者提供類似抽吸傳統(tǒng)卷煙的吸食感受［1-2］。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電加熱卷煙的研究多為探討煙草原料在不同溫度下的熱解規(guī)律，進(jìn)一步設(shè)計(jì)加熱元件溫度升高曲線、煙草原料配比等，使發(fā)煙段的傳熱與物質(zhì)釋放匹配，從而提高加熱卷煙產(chǎn)品中霧化劑、煙堿、香氣物質(zhì)等成分釋放的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的煙草原料熱實(shí)驗(yàn)研究［3-6］，分別探究了煙草原料在固定受熱溫度條件下和連續(xù)升溫過(guò)程中的煙氣釋放特性和熱解特性。鄭緒東等［3］測(cè)試了電加熱卷煙煙絲在200～470 ℃范圍內(nèi)11 個(gè)等距溫度點(diǎn)的煙氣成分以及霧化劑、煙堿等物質(zhì)的釋放特性。馬鵬飛等［5］研究了100～527 ℃下再造煙葉的熱失重行為，將加熱卷煙煙草材料的失重劃分成水分蒸發(fā)、糖類和低溫?fù)]發(fā)性物質(zhì)等的熱解、高分子物質(zhì)（如半纖維素、纖維素和木質(zhì)素）的熱解幾個(gè)階段。艾明歡等［6］通過(guò)傅里葉變換紅外光譜的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)150 ℃以下煙草受熱釋放物只有水和CO2，煙堿等易揮發(fā)的小分子物質(zhì)在150～200 ℃時(shí)開始釋放，同時(shí)甘油的含量會(huì)影響煙氣中各類成分的釋放比例。然而，上述對(duì)電加熱卷煙的研究主要側(cè)重于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的規(guī)律解釋，尚不能凝練出針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改良的具體參數(shù)指導(dǎo)。

對(duì)于加熱元件供熱設(shè)計(jì)、添加劑配比設(shè)計(jì)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)調(diào)試往往需要花費(fèi)巨大的成本，因此相關(guān)學(xué)者希望通過(guò)數(shù)值模擬的手段對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，但相關(guān)模型研究仍處于起步階段。Jiang等［7］基于多孔介質(zhì)理論針對(duì)電加熱卷煙的發(fā)煙段建立了基礎(chǔ)的傳熱模型，可用于預(yù)測(cè)靜止加熱和抽吸狀態(tài)下發(fā)煙段內(nèi)部的溫度分布。肖衛(wèi)強(qiáng)等［8］采用計(jì)算流體力學(xué)方法建立了加熱卷煙內(nèi)部煙絲加熱和煙氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。以上模型雖能對(duì)發(fā)煙段進(jìn)行傳熱模擬，但未能將發(fā)煙段煙草材料溫度與組分釋放關(guān)聯(lián)起來(lái)。Nordlund 等［9］對(duì)整個(gè)電加熱卷煙裝置建立了較為完備的數(shù)學(xué)模型，模型中同時(shí)考慮了氣相組分在各向異性的多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、熱量和物質(zhì)轉(zhuǎn)移，以及多組分氣溶膠瞬態(tài)的體積、質(zhì)量變化等，但模型中未考慮加熱過(guò)程中煙草基質(zhì)熱物性和質(zhì)量的變化。王樂(lè)等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬合了發(fā)煙段逐口體積平均溫度與關(guān)鍵成分釋放之間的關(guān)系，并建立了集總參數(shù)模型。由于電加熱卷煙模型的數(shù)值研究還處于探索階段，針對(duì)電加熱卷煙傳熱傳質(zhì)耦合的數(shù)值模擬在適用性方面仍存在問(wèn)題。因此，本研究中在分析整合現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，旨在建立一個(gè)相對(duì)全面的電加熱卷煙傳熱傳質(zhì)模型，該模型能夠描述煙草原料受熱過(guò)程中發(fā)生的水分、甘油和煙堿的釋放，以及煙氣流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量傳遞、能量傳遞和動(dòng)量傳遞過(guò)程；并通過(guò)搭建電加熱卷煙的擴(kuò)尺實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量發(fā)煙段套管內(nèi)不同位置的溫度，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證溫度模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；進(jìn)一步運(yùn)用模型對(duì)原型煙支在逐口抽吸的條件下進(jìn)行模擬，將發(fā)煙段關(guān)鍵成分剩余量的模擬值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型對(duì)于模擬關(guān)鍵組分釋放效果的準(zhǔn)確性，可為模型的后續(xù)完善奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

國(guó)產(chǎn)某品牌電加熱卷煙器具和配套的煙支。煙支樣品參照GB/T 16447—2004［11］的規(guī)定，在相對(duì)濕度為60%±3%，溫度為（22±2）℃的環(huán)境中平衡48 h。

羧甲基纖維素納（CMC）、甘油（USP 級(jí)）、氫氧化鈉（AR）（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；一級(jí)水（電阻率18.2 MΩ·cm，自制）；煙堿標(biāo)準(zhǔn)溶液（4 000 μg/mL 異丙醇溶液、上海安譜科技有限公司）；1,3-丁二醇、甲醇、異丙醇（內(nèi)標(biāo)）、正己烷（色譜純）（美國(guó)TEDIA公司）。

Climacell 404 恒溫恒濕箱（德國(guó)MMM 公司）；HOT-DISK 熱常數(shù)分析儀-2500S（瑞典HotDisk 公司）；CPE205 電子天平（感量0.01 mg，瑞士Mettler Toledo 公司）；X500E 新型煙草專用吸煙機(jī)（上海帕夫曼自動(dòng)化儀器有限公司）；Milli-Q50 超純水儀（美國(guó)Millipore 公司）；7890B 氣相色譜儀（配備FID 和TCD檢測(cè)器，美國(guó)Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 熱物性測(cè)定

通過(guò)輥壓法制備了不同含水率和甘油含量的再造煙葉樣品A、B、C、D（表1），其中煙片用于熱物性測(cè)試，煙絲用于填充至擴(kuò)大尺寸（簡(jiǎn)稱擴(kuò)尺）實(shí)驗(yàn)裝置的套管中進(jìn)行溫度測(cè)試。參考Zhu等［12］的測(cè)試方法，運(yùn)用Hot Disk 2500s 儀器對(duì)表1 中4 種組分含量的煙片樣品進(jìn)行熱物性測(cè)試，測(cè)量了不同溫度條件下煙片樣品的導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱等熱物性參數(shù)，常溫條件下（20 ℃）采用空氣氣體氛圍，高溫條件下（100、200、300 ℃）采用氦氣氣體氛圍，測(cè)試結(jié)果見圖1。不同組分含量的煙片樣品在常溫下熱物性差異明顯，這是由于添加的水分、甘油等物質(zhì)與煙草自身的熱物性存在明顯的區(qū)別，因此含水率和甘油含量對(duì)再造煙葉樣品熱物性存在明顯影響，隨著溫度升高，水分、甘油等添加劑組分因汽化逸散而減少，4種樣品之間的熱物性差異逐漸減小。當(dāng)加熱溫度達(dá)300 ℃，煙片樣品已出現(xiàn)明顯的炭化，因此不再進(jìn)行更高溫度下的熱物性測(cè)定。

圖1 煙片樣品熱物性測(cè)試結(jié)果Fig.1 Results of thermal property tests on tobacco sheet samples

表1 再造煙葉樣品的甘油含量和含水率Tab.1 Glycerol and moisture contents in reconstituted tobacco samples（%）

1.2.2 擴(kuò)尺實(shí)驗(yàn)裝置溫度測(cè)定

由于電加熱卷煙幾何尺寸的局限性，不便于對(duì)煙支發(fā)煙段內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了分析發(fā)生在由煙絲堆積形成的多孔介質(zhì)中的傳熱行為，設(shè)計(jì)并搭建了電加熱卷煙擴(kuò)尺實(shí)驗(yàn)裝置，即類比電加熱卷煙的發(fā)煙段在套管中填充煙絲，通過(guò)測(cè)試發(fā)煙段套管內(nèi)部溫度及煙氣溫度，驗(yàn)證理論模型的溫度模擬結(jié)果。擴(kuò)尺實(shí)驗(yàn)裝置的原理示意圖見圖2，原型煙支與發(fā)煙段套管的幾何尺寸參數(shù)見表2。該裝置通過(guò)調(diào)節(jié)真空抽氣泵外接的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)控制抽吸流量，調(diào)節(jié)得到實(shí)驗(yàn)工況的目標(biāo)流量值，模擬電加熱卷煙的抽吸過(guò)程。其中，直流穩(wěn)壓電源為加熱部件提供電能（外加電壓50 V），無(wú)紙記錄儀與K 型鎧裝微細(xì)熱電偶可實(shí)時(shí)采集發(fā)煙段的溫度、管道內(nèi)抽吸氣流的溫度以及環(huán)境空氣溫度，溫度采集頻率為10 Hz。

圖2 擴(kuò)尺實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the scaled-up experimental device

表2 擴(kuò)尺實(shí)驗(yàn)裝置與原型煙支幾何尺寸參數(shù)Tab.2 Geometric parameters of the scaled-up experimental device and prototype tobacco stick（mm）

1.2.3 原料主要成分含量測(cè)定

重復(fù)2次平行實(shí)驗(yàn)，每次平行實(shí)驗(yàn)取5支受熱抽吸后的樣品，取出殘留原料，參考文獻(xiàn)［13-15］中的方法測(cè)定煙葉原料中的水分、甘油、煙堿含量。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 模型假設(shè)

為了建立電加熱卷煙的傳熱與關(guān)鍵組分釋放模型，本研究中對(duì)于煙支進(jìn)行了以下假設(shè)：①由于現(xiàn)有測(cè)試方法無(wú)法分別獲得煙絲軸向和徑向的熱物性值，基于多孔介質(zhì)領(lǐng)域的宏觀求解方法，假設(shè)發(fā)煙段和濾嘴段為均勻的多孔介質(zhì)，熱物性各向同性；②輕度熱解反應(yīng)僅發(fā)生在靠近加熱元件表面的小部分煙草中［16］，因此近似忽略發(fā)煙段內(nèi)部發(fā)生的熱解反應(yīng)，認(rèn)為煙絲固體骨架的密度不隨加熱發(fā)生變化；③忽略氣相組分發(fā)生的熱解反應(yīng)，忽略氣相組分在煙支各段的冷凝與截留；④假設(shè)加熱元件表面的溫度是均勻分布的，忽略輻射換熱的影響。

2.2 控制方程

電加熱卷煙的工作過(guò)程中，包含煙支系統(tǒng)的加熱升溫、各關(guān)鍵組分的產(chǎn)生與遷移以及煙氣的流動(dòng)等過(guò)程，假設(shè)相間局部熱不平衡，對(duì)煙支內(nèi)部各計(jì)算域與煙氣構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行能量守恒分析、質(zhì)量守恒分析以及動(dòng)量守恒分析，因此數(shù)學(xué)模型的控制方程應(yīng)包含氣、固兩相能量守恒方程、氣體動(dòng)量方程、組分輸運(yùn)方程和氣相連續(xù)性方程。

氣相能量方程：

式中：t為時(shí)間（s）；φ為多孔介質(zhì)的空隙率；ρg為氣相密度（kg/m3）；Eg為氣相總能量（J/kg）；為氣相流速（m/s）；p為壓力（Pa）；kg為氣相熱導(dǎo)率［W/（m·K）］；Tg為氣相溫度（℃）；hi為氣相中組分i（i可代表水分、甘油、煙堿）的顯焓（J/kg）；Ji為氣相中組分i的擴(kuò)散通量［kg（/m3·s）］；為應(yīng)力張量（N/m2）；為氣相焓的源項(xiàng)（W/m3）；hgs為氣、固界面的對(duì)流傳熱系數(shù)［W/（m2·K）］；煙絲多孔介質(zhì)比表面積Ags=A/V=6φ/dp（m-1）；A為表面積（m2）；V為體積（m3）；dp為多孔介質(zhì)平均孔徑（m）；Ts為固相溫度（℃）。

固相能量方程：

將煙支的發(fā)煙段視為氣流滲透率均勻分布的多孔介質(zhì)，煙支中煙氣的流動(dòng)采用不可壓縮流體動(dòng)量方程的一般形式：

組分輸運(yùn)方程：

質(zhì)量守恒方程：

結(jié)合煙草原料的熱重-傅里葉變換紅外（TG-FTIR）數(shù)據(jù)［17］，對(duì)組分釋放規(guī)律進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，擬合計(jì)算出活化能和指前因子。水分、甘油和煙堿3種關(guān)鍵組分釋放的體積速率可用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算：

2.3 數(shù)值求解

根據(jù)發(fā)煙段套管實(shí)驗(yàn)裝置（擴(kuò)尺裝置）和原型煙支的幾何尺寸，分別在ICEM 軟件中建立幾何體，并劃分網(wǎng)格。發(fā)煙段套管實(shí)驗(yàn)裝置和原型煙支的模型示意圖分別見圖3 和圖4。對(duì)加熱元件與煙絲接觸的交界面設(shè)定壁溫隨時(shí)間變化的邊界條件（即由實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的溫度曲線）。其他外壁面采用第三類邊界條件，設(shè)定邊界上固體與周圍流體間的表面換熱系數(shù)及周圍流體的溫度。進(jìn)口和出口分別設(shè)置為速度進(jìn)口和壓力出口。采用Fluent 19.0軟件求解。

圖3 擴(kuò)尺裝置幾何模型Fig.3 Geometric model of the scaled-up experimental device

圖4 原型煙支幾何模型Fig.4 Geometric model of a prototype tobacco stick

煙絲、醋酸纖維的熱物性參數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)獲得，水分、甘油、煙堿組分的物性參數(shù)通過(guò)查詢物性手冊(cè)和數(shù)據(jù)庫(kù)［18-19］獲得。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)由文獻(xiàn)數(shù)據(jù)［10，17］擬合獲得，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行校正。各區(qū)域網(wǎng)格內(nèi)的材料參數(shù)分別參照煙絲、醋酸纖維的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、空隙率、滲透率等。對(duì)電加熱卷煙混合煙氣組分的物理性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，包括空氣和各關(guān)鍵組分（水分、甘油和煙堿）的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、黏度等，詳細(xì)物性參數(shù)見表3，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表4。煙氣中水分、甘油和煙堿的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)均設(shè)為0。

表3 模擬過(guò)程采用的物性參數(shù)Tab.3 Physical property parameters used in the simulation

表4 模擬過(guò)程采用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.4 Reaction kinetic parameters used in the simulation

運(yùn)用Fluent 求解器中的用戶自定義函數(shù)（User Define Function，UDF）對(duì)模型進(jìn)行輔助求解，其中加熱元件表面溫度隨時(shí)間的變化、煙草熱物性隨溫度的變化、固相焓源項(xiàng)（包含熱解反應(yīng)放熱，水分、甘油蒸發(fā)消耗的氣化潛熱）、傳質(zhì)源項(xiàng)（運(yùn)用Arrhenius 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算水分、甘油和煙堿的釋放速率）、抽吸模式、發(fā)煙段氣固兩相對(duì)流換熱系數(shù)均使用UDF進(jìn)行定義。

通過(guò)有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，使用分離求解器求解，并選用隱式格式對(duì)控制方程進(jìn)行求解。用二階迎風(fēng)格式將控制方程中所有的項(xiàng)進(jìn)行離散化操作。SIMPLEC算法用于壓力-速度耦合。時(shí)間步長(zhǎng)取0.05 s，收斂性判據(jù)設(shè)定為10-3。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度變化特性

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將擴(kuò)尺裝置的溫度實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中分別在靜止加熱（抽吸容量0）和抽吸加熱（抽吸容量6.6 L/min）條件下進(jìn)行400 s 的溫度記錄，對(duì)比結(jié)果如圖5所示（其中a 工況在靜止加熱條件下不測(cè)量煙氣溫度）。從圖5 可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體表現(xiàn)出較好的擬合水平，而模型中發(fā)煙段的0.25R 處（距離加熱元件表面3.9 mm）溫度的對(duì)比結(jié)果表現(xiàn)出較明顯的差異，這可能是由于：①數(shù)值模型中假設(shè)熱物性各向同性，而實(shí)驗(yàn)中發(fā)煙段套管內(nèi)的煙絲為手工填充，可能存在填充不均勻的區(qū)域，且實(shí)際情況下煙絲的熱傳導(dǎo)存在各向異性；②越接近加熱元件表面位置的煙草原料揮發(fā)性物質(zhì)的釋放越顯著，因此熱電偶探頭可能測(cè)試到的是氣相溫度或者氣固混合溫度；③實(shí)驗(yàn)中用真空抽氣泵和氣體流量計(jì)組成抽吸裝置，抽氣泵提供的抽氣速率不穩(wěn)定，另外氣流的沖擊作用可能使熱電偶探頭的位置發(fā)生擺動(dòng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的煙氣溫度存在波動(dòng)，而模擬中在出口處給定均勻的抽吸速度，因此模擬值無(wú)明顯波動(dòng)變化。

圖5 擴(kuò)尺裝置實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of values measured by the scaled-up experimental device and by numerical simulation

從套管擴(kuò)尺裝置的溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，由煙絲堆積形成的多孔介質(zhì)沿徑向的溫度下降明顯，運(yùn)行400 s后在0.25R處的實(shí)測(cè)溫度相較于加熱元件表面溫度下降63%～76%。由于抽吸氣流作用引起的對(duì)流換熱損失，導(dǎo)致抽吸作用條件下的各測(cè)點(diǎn)溫度稍低于靜止加熱工況。對(duì)于加熱元件表面與0.25R處的溫度，填充質(zhì)量大的工況溫度會(huì)低于填充質(zhì)量小的工況；而在0.50R 至R 區(qū)域，填充質(zhì)量大工況的溫度反而較高。這是由于當(dāng)溫度低于水分、甘油等組分的汽化溫度以及煙草發(fā)生初級(jí)熱解溫度時(shí)，煙草內(nèi)部?jī)H發(fā)生熱傳導(dǎo)，且空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小于煙絲，因此在體積一定的空間里，煙草樣品填充質(zhì)量越多，多孔介質(zhì)中固體骨架所占的比例越大，發(fā)煙段整體的導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱越快。但該區(qū)域的煙草溫度達(dá)到水分、甘油等組分的汽化溫度后，填充質(zhì)量大的工況發(fā)煙段中單位體積內(nèi)包含的組分含量越多，汽化量更大，汽化消耗能量，使得煙草基質(zhì)的升溫變緩。填充質(zhì)量大，不利于加熱元件表面的傳熱，有利于貼近壁面的煙草傳熱。對(duì)比工況b 和工況d 可知，相近甘油含量的煙草樣品，含水率越高，在0.25R 處的煙草溫度越高，其他區(qū)域處的溫度相近。

原型煙支發(fā)煙段采用煙絲樣品B 進(jìn)行填充，加熱元件與發(fā)煙段交界面的溫度邊界條件如圖6。采用鐘形抽吸、抽吸容量55 mL、單口抽吸2 s、抽吸間隔30 s 的抽吸模式進(jìn)行數(shù)值模擬。圖7 中統(tǒng)計(jì)了原型電加熱卷煙模型在230 s（抽吸8口）工作期間的溫度特性，不足3.40%體積的煙草溫度≥250 ℃，73.56%體積的煙草溫度≤150 ℃。在電加熱卷煙運(yùn)行過(guò)程中，大部分區(qū)域的煙草原料溫度低于150 ℃，這與發(fā)生在加熱元件表面、煙絲接觸面以及煙絲內(nèi)部的導(dǎo)熱有關(guān)，加熱元件作為熱源，合理設(shè)置加熱元件的溫升曲線是改善發(fā)煙段溫度分布的關(guān)鍵之一。

圖6 原型煙支加熱元件溫度變化曲線Fig.6 Temperature curves of the heater in a prototype tobacco stick

圖7 發(fā)煙段煙草的溫度區(qū)間分布的體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Volume fractions of tobacco section under different temperature ranges

3.2 組分變化特性

將針對(duì)原型電加熱卷煙煙支的模擬結(jié)果與進(jìn)行一定口數(shù)抽吸后的煙支殘留原料中關(guān)鍵組分剩余量的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。水分、甘油和煙堿的對(duì)比結(jié)果分別見圖8、圖9 和圖10，模型對(duì)逐口抽吸條件下原料中水分、甘油和煙堿的剩余量預(yù)測(cè)結(jié)果的平均誤差分別為5.02%、12.41%和19.97%。

圖8 水分剩余量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of experimental and numerical simulation results for residual moisture

圖9 甘油剩余量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental and numerical simulation results for residual glycerol

由圖8 可知，煙草原料中的水分剩余量呈先劇烈后緩慢的遞減趨勢(shì)，主要由于煙草原料中的水分在100 ℃和150 ℃左右分別有1 個(gè)釋放峰［17］，由圖7可見，在電加熱卷煙運(yùn)行的前75 s（第3 口抽吸開始前），發(fā)煙段煙草原料處于快速升溫狀態(tài)，76.51%體積的煙草溫度達(dá)到了100 ℃以上，因此前3 口抽吸期間原料中的水分快速釋放，之后煙草各區(qū)域的溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，水分的釋放速率減慢。而甘油和煙堿的主要釋放溫度為150～250 ℃［16］，大部分區(qū)域的煙草溫度都低于上述溫度區(qū)間，因此原料中甘油和煙堿的釋放緩慢，且整體釋放效率不高。

4 結(jié)論

從電加熱卷煙工作過(guò)程中煙支系統(tǒng)的傳熱、各關(guān)鍵組分（水分、甘油和煙堿）的釋放以及煙氣的流動(dòng)等方面進(jìn)行考慮，建立了電加熱卷煙傳熱與關(guān)鍵組分釋放的數(shù)值模型，運(yùn)用Fluent 流體仿真軟件結(jié)合用戶自定義函數(shù)（UDF）對(duì)模型進(jìn)行求解。自主搭建了擴(kuò)尺溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)模型的傳熱模擬效果進(jìn)行驗(yàn)證，并將模型輸出的原料中3 種關(guān)鍵組分的逐口剩余量與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。整體而言，模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值表現(xiàn)出較好的擬合水平，模型對(duì)所研究品牌的煙支在逐口抽吸條件下煙草原料中水分、甘油和煙堿剩余量模擬的平均誤差分別為5.02%、12.41%和19.97%，表明該模型可在一定程度上模擬電加熱卷煙工作過(guò)程中，煙支發(fā)煙段內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)規(guī)律。基于原型煙支的模擬發(fā)現(xiàn)，不足3.40%的煙草體積溫度顯示為≥250 ℃，73.56%體積的煙草溫度≤150 ℃，低溫可能是導(dǎo)致甘油和煙堿釋放效率不高的原因。今后將在模型中逐步添加煙氣冷凝模型和顆粒物沉積模型，優(yōu)化其在關(guān)鍵組分截留方面的模擬能力，并通過(guò)模型綜合調(diào)節(jié)加熱元件升溫曲線、煙支尺寸、煙絲含水率、霧化劑添加量、煙絲填充質(zhì)量等參數(shù)，預(yù)測(cè)出各參數(shù)綜合變化對(duì)發(fā)煙段溫度分布及關(guān)鍵組分釋放的影響，為電加熱卷煙的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及器具的能源管理提供參考依據(jù)。