CN105158142B - 一种卷烟燃烧锥渗透率的检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种卷烟燃烧锥渗透率的检测方法，其特征在于：通过检测卷烟有无燃烧锥的卷烟压降变化，结合燃烧锥区域流动模型的数值模拟，最终获得卷烟燃烧锥渗透率，具体步骤如下：1）挑选卷烟；2）点燃后进行ISO标准抽吸，将卷烟置于氮气氛围中焖灭；3）将卷烟纸和接装纸密封，检测带有燃烧锥和切除燃烧锥的卷烟压降；差值即为燃烧锥的压降；4）对卷烟燃烧锥进行几何建模，建立卷烟燃烧锥区域的稳态渗流数学模型，最终计算出卷烟燃烧锥渗透率。本发明的优点在于：1)、实现步骤方便可靠，对卷烟燃烧锥渗透率实现了定量检测；2)、数值模拟辅助使得燃烧锥内气流不需要保证一维流动，3）、检测过程中不需要破坏燃烧锥本身，检测结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种卷烟燃烧锥渗透率的检测方法。具体是以卷烟为原料，利用燃烧锥压降测量和数值模拟结合的方法，获得一种卷烟燃烧锥渗透率的物性数据，属于化工、材料生产技术领域。
背景技术
随着禁烟控烟浪潮的日益高涨，降焦减害作为烟草行业的焦点和热点，也是促进卷烟品牌发展的关键所在。对CO、HCN、NK、NH、B[a]P、苯酚、以及巴豆醛为代表的7种烟气有害化学成分的分析和调控一直是烟草领域工程技术研究努力的方向。卷烟燃烧锥是卷烟烟碱、焦油及其有害化学成分的生成区域，燃烧锥区域的温度分布和气流分布决定卷烟的燃烧状态，有氧和无氧状态下的各种复杂化学反应直接影响着有害化学成分的生成与转变。在一定压差下，多孔介质允许流体通过的能力叫渗透率，渗透率能够评价卷烟在抽吸过程中透过空气量的大小。卷烟燃烧锥渗透率是卷烟燃吸过程气流分布的决定因素，因此获得卷烟燃烧锥渗透率数据是十分必要的。卷烟在燃吸过程中烟丝升温热解成焦炭燃烧变成灰分，燃烧锥温度在2s内从常温升高到900℃又降回常温，相应的卷烟燃烧锥渗透率也从10- 10m2降低到10-15m2又升高到105m2，变化剧烈。同时卷烟其他各种物性参数也在发生着剧烈的变化，这是由于卷烟燃吸过程是一个复杂的伴随热解燃烧剧烈化学反应的动量、能量与质量传递过程，因此检测燃烧锥区域的物性参数本身就是十分具有挑战性的技术工作。目前并没有类似的专利关注卷烟物性的检测方法。
发明内容
本发明的目的正是基于上述现有技术状况而提供一种卷烟燃烧锥渗透率的检测方法，通过该检测方法可以此获得卷烟燃烧锥渗透率数据，为设计调控卷烟燃烧特性提供基础数据。本发明通过测定卷烟燃烧锥的抽吸压降，结合卷烟燃烧锥抽吸过程数值模拟，优化卷烟燃烧锥末端压降，无损检测卷烟燃烧锥的渗透率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种卷烟燃烧锥渗透率的检测方法，其特征在于：通过检测卷烟有无燃烧锥的卷烟压降变化，结合燃烧锥区域流动模型的数值模拟，最终获得卷烟燃烧锥渗透率，具体步骤如下：
1）将卷烟样品置于温度为22±2℃，相对湿度为60±5%的环境下平衡48小时，挑选卷烟若干支待用；
2）将卷烟点燃后进行ISO标准抽吸(2s,35ml)，在抽吸结束3s内，将卷烟置于氮气氛围中焖灭；
3）将卷烟纸和接装纸密封，在单孔道吸烟机上连接压力传感器，检测带有燃烧锥的卷烟在一定气流速度抽吸下的压降；切掉卷烟燃烧锥，检测不带燃烧锥的卷烟在相应流速抽吸下的压降；两个压降的差值即为燃烧锥在该流速下的压降；
4）对卷烟燃烧锥进行几何建模，建立卷烟燃烧锥区域的稳态渗流数学模型，即，式中表示气体流速，表示卷烟燃烧锥渗透率，表示抽吸气体的黏度，表示梯度算子，表示卷烟燃烧锥内部的气体压力，燃烧锥内部区域满足拉普拉斯方程，式中表示拉普拉斯算子，表示卷烟径向坐标，表示卷烟轴向坐标。在固定的抽吸速度下，以为优化目标函数，采用非线性最小二乘法优化调整渗透率参数，使得燃烧锥的压降模拟计算结果与燃烧锥压降的实验检测结果差值最小化，最优参数即为卷烟燃烧锥的渗透率数据。最后，将不同抽吸速度下获得的渗透率数据取平均值，即可获得卷烟燃烧锥的渗透率。
本发明具有以下优点：1)、实现步骤方便可靠，对卷烟燃烧锥渗透率实现了定量检测；2)、数值模拟辅助使得燃烧锥内气流不需要保证一维流动，3）、检测过程中不需要破坏燃烧锥本身，检测结果准确可靠。
附图说明
图1是本发明的工艺流程。
具体实施方式
本发明以下结合实施例做进一步描述：
实施例1
1）将某品牌卷烟样品置于温度为22±2℃，相对湿度为60±5%的恒温恒湿室内平衡48小时，挑选若干支卷烟，所挑选标准卷烟支重在百支被测样品平均单支重量±5mg；
2）将卷烟点燃后进行ISO标准抽吸(2s,35ml)，在第一口抽吸结束3s内，将卷烟置于氮气氛围中焖灭，在此过程中保持卷烟燃烧锥完整；
3）将卷烟纸和接装纸密封，在单孔道吸烟机上连接带有压力传感器的测量仪，检测带有燃烧锥的卷烟在17.5ml/s的气流速度抽吸下的压降；切掉卷烟燃烧锥，检测不带燃烧锥的卷烟在相同气流流速抽吸下的压降；两个压降的差值即为燃烧锥在流速下的压降；
4）测量卷烟燃烧锥的半径和长度，采用绘图软件Auto CAD按照旋转抛物面对其进行3维几何建模，将模型导入商业数值模拟软件COMSOL Multiphysics，选择2维旋转体多孔介质稳态渗流数学模型，即，选择拉普拉斯方程,抽吸速度边界田间设置为抽吸速度17.5ml/s下，选择最优化模块，以为气流出口边界优化目标函数，选择稳态过程计算，得到渗透率参数。对渗透率数据取平均值，即可获得卷烟燃烧锥的渗透率。
某牌号卷烟ISO标准抽吸第一口结束时的燃烧锥检测结果见表1，
表1卷烟抽吸第一口后燃烧锥渗透率数据
实施例2
将某牌号卷烟ISO标准抽吸第二口结束时的燃烧锥检测结果见表2：
表2卷烟抽吸第二口后燃烧锥渗透率数据
实施例3
将某牌号卷烟ISO标准抽吸第三口结束时的燃烧锥检测结果见表3：
表3卷烟抽吸第三口后燃烧锥渗透率数据
从以上实施例可以看出，采用本发明的方法可以获得卷烟燃烧锥的渗透率参数数据，该检测方法具有过程重复性较高结果标准偏差较小的特点。
Claims (2)
1.一种卷烟燃烧锥渗透率的检测方法，其特征在于：通过检测卷烟有无燃烧锥的卷烟压降变化，结合燃烧锥区域流动模型的数值模拟，最终获得卷烟燃烧锥渗透率，具体步骤如下：
1）将卷烟样品置于温度为22±2℃，相对湿度为60±5%的环境下平衡48小时，挑选卷烟若干支待用；
2）将卷烟点燃后按ISO标准规定的时间2s、容量35ml进行抽吸；在抽吸结束3s内，将卷烟置于氮气氛围中焖灭；
3）将卷烟纸和接装纸密封，检测带有燃烧锥的卷烟在一定气流速度抽吸下的压降；切掉卷烟燃烧锥，检测不带燃烧锥的卷烟在相应流速抽吸下的压降；两个压降的差值即为燃烧锥在该流速下的压降；
4）对卷烟燃烧锥进行几何建模，建立卷烟燃烧锥区域的稳态渗流数学模型，即，式中表示气体流速，表示卷烟燃烧锥渗透率，表示抽吸气体的黏度，表示梯度算子，表示卷烟燃烧锥内部的气体压力，燃烧锥内部区域满足拉普拉斯方程，式中表示拉普拉斯算子，表示卷烟径向坐标，表示卷烟轴向坐标，在固定的抽吸速度下，以为优化目标函数，采用非线性最小二乘法优化调整渗透率参数，使得燃烧锥的压降模拟计算结果与燃烧锥压降的实验检测结果差值最小化，最优参数即为卷烟燃烧锥的渗透率数据；最后，将不同抽吸速度下获得的渗透率数据取平均值，即可获得卷烟燃烧锥的渗透率。
2.根据权利要求1所述的卷烟燃烧锥渗透率的检测方法，其特征在于：通过在单孔道吸烟机上连接压力传感器的方式检测带有燃烧锥和不带有燃烧锥的卷烟在一定气流速度抽吸下的压降。
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