CN109512023A - 一种通过优化滤嘴通风率和打孔位置调控滤嘴过滤效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过优化滤嘴通风率和打孔位置调控滤嘴过滤效率的方法，其特征在于：是通过获得的滤嘴通风率和打孔位置与滤嘴过滤效率之间的函数关系，并利用这两个参数来调控滤嘴达到最佳的过滤效率，具体方法包括：1)获得滤嘴通风率和打孔位置对卷烟过滤效率的影响规律；2)利用过滤效率影响规律确定滤嘴结构函数的变化；3)调整滤嘴打孔通风率和打孔位置。本发明的最大优点是能够通过调整滤嘴通风率或打孔位置来定向精确调控滤嘴过滤效率。

Description

一种通过优化滤嘴通风率和打孔位置调控滤嘴过滤效率的 方法

技术领域

本发明涉及一种烟草行业通过优化滤嘴通风率和打孔位置调控滤嘴过滤效率的方法。

背景技术

近几年，随着社会对“吸烟与健康”问题的日益关注,人们对卷烟产品的吸食安全性的要求也越来越高,“降焦减害”越来越成为烟草行业的工作重点。其中滤嘴通风参数优化设计已成为降焦减害普遍采用的技术。

卷烟滤嘴设计参数包括丝束规格、滤嘴长度、滤嘴吸阻、三醋酸甘油酯添加量、滤嘴通风率(接装纸、成型纸相关参数)等。目前关于滤嘴通风率与烟气过滤效率的研究一方面通过单因素实验来获得卷烟通风率与过滤效率之间的拟合函数关系，如专利CN200610043848《确定卷烟滤嘴接装纸透气度的方法》；上述专利给出的调控滤嘴过滤效率的方法单一，仅通过调控滤嘴接装纸的透气度来达到特定的过滤效率。同时该专利中的函数关系是在特定的实验条件下获得的，适用范围非常有限。另一方面是利用滤嘴过滤效率的理论公式，建立滤嘴过滤效率的模型。如文章《An improved CFD model of gas flowand particle interception in a fiber material》。但是该文章并没有给出带通风孔的卷烟滤嘴的过滤效率模型。

发明内容

本发明针对现有研究的不足之处提出了带通风孔的卷烟滤嘴过滤效率的调控方法。获得的滤嘴通风率和打孔位置与滤嘴过滤效率之间的函数关系，利用这两个参数来调控滤嘴达到最佳的过滤效率。同时设计多个物理参数(卷烟滤嘴半径R、滤嘴空隙率φ、滤嘴长度l、滤嘴单丝截面积s_cellosilk、滤嘴通风率η)来调整卷烟样品的规格，使其适用于不同规格的卷烟样品的滤嘴设计。本发明的目的是优化卷烟滤嘴通风率和打孔位置，以获得最佳滤嘴过滤效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种通过优化滤嘴通风率和打孔位置调控滤嘴过滤效率的方法，是通过获得的滤嘴通风率和打孔位置与滤嘴过滤效率之间的函数关系，并利用这两个参数来调控滤嘴达到最佳的过滤效率，具体方法包括：

a、滤嘴通风率和打孔位置对卷烟过滤效率的影响规律

普通卷烟滤嘴即不存在通风孔，是一个典型的高空隙纤维体，烟气气溶胶绝大部分颗粒粒径分布于0.1～1.0μm之间，远远小于滤嘴纤维直径和纤维之间的空隙，因此，滤嘴的过滤作用可看作是多个单纤维过滤作用的复合结果。如文献《On the MinimumEfficiency and the Most Penetrating Particle Size for Fibrous Filters》中，根据滤嘴纤维的三种过滤机理的作用叠加得到普通滤嘴的过滤效率的计算公式：

式中：

E-卷烟滤嘴过滤效率

s_cellosilk-单根纤维丝截面积

l-表示滤嘴的总长度

R-卷烟滤嘴半径

η_cellosilk-单根纤维丝的过滤效率

滤嘴空隙率

而带有通风孔的卷烟滤嘴与普通卷烟滤嘴对烟气成分的过滤原理存在差异。卷烟滤嘴被通风孔分为滤嘴前段的长度为l₁和滤嘴后段的长度为l₂。烟气在滤嘴中的流动过程可以简化为(参见附图1)：烟气从滤嘴前段进入，通过滤嘴通风孔之后，烟气主要在滤嘴后段半径为r的同心圆内流动，此过程前后烟气浓度不发生变化，流速增大；通过通风孔进入的空气主要在滤嘴后段半径为r的同心圆外侧流动，且两者流动速度相等(即烟气和空气的流速)。则卷烟滤嘴通风率η与滤嘴后段烟气通过面积和空气通过面积之比的关系为：

式中：

η-卷烟滤嘴通风率；

R-卷烟滤嘴半径；

r-烟气在滤嘴后段流过的同心圆半径；

因此，通风滤嘴考虑通风孔的影响，对过滤效率公式(1)进行修正，表示为：

经过试验验证修正系数为滤嘴后段相对长度与滤嘴通风率的函数，即ψ＝(1-ξ)+ξ(1-η)

式中：

ξ-滤嘴后端相对长度，ξ＝l₂/l

η-卷烟滤嘴通风率

如公式(3)所示，卷烟滤嘴的过滤效率E随卷烟滤嘴半径R、滤嘴空隙率φ、滤嘴长度l、滤嘴单丝截面积s_cellosilk和修正系数ψ的变化而变化；对于已经固定规格的卷烟滤嘴，通过优化滤嘴打孔参数(η和ξ)来调控滤嘴过滤效率实际上是分析修正系数ψ＝(1-ξ)+ξ(1-η)的函数性质，由定义可得ξ和η的取值范围均为0到1。

从以上修正系数ψ的函数关系作图(见附图2)可以看出，ψ函数随滤嘴后段长度比ξ的增大单调减小，随滤嘴通风率η的增加而单调减小，因为ψ函数并不是双线性函数，这就给调控滤嘴过滤效率提供了操作空间。

由公式(3)可得，对于两种不同通风率和打孔位置的相同材料的滤嘴，其过滤效率E与ψ函数之间存在以下关系：

b、利用过滤效率影响规律确定滤嘴结构函数的变化

根据当前通风滤嘴过滤效率E₁与期望调整后的过滤效率E₂，以及现有的函数ψ₁，采用公式(4)计算滤嘴函数ψ₂；

c、调整滤嘴打孔通风率和打孔位置

利用卷烟滤嘴ψ函数的数值，根据需求调整滤嘴后段相对长度ξ或滤嘴通风率η，使得ψ函数满足过滤效率调整后的要求。

本发明的优点是能够适用于多种规格的带有通风孔的卷烟滤嘴的参数设计，通过调整滤嘴通风率η或打孔位置ξ来定向精确调控滤嘴过滤效率。

附图说明

图1卷烟滤嘴通风模型图示，

图2ψ函数作图。

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.获得滤嘴通风对卷烟过滤效率的影响规律

现有普通卷烟滤嘴通风率η＝60％，打孔位置在滤嘴中间即ξ＝50％，代入滤嘴修正系数ψ＝(1-ξ)+ξ(1-η)，可得ψ为0.7。已知卷烟的滤嘴过滤效率E₁＝30％，故采用公式(3)估算调整后的滤嘴过滤效率，即公式

2.利用过滤效率影响规律确定调节滤嘴通风结构

需要将细支卷烟滤嘴过滤效率提高10％，即调整后的滤嘴过滤效率为33％，现有函数ψ₁＝0.7，采用公式(3)计算调整优化后的滤嘴ψ函数。计算需要优化后的滤嘴函数ψ₂＝0.79。

3.调整滤嘴打孔通风率和滤嘴打孔位置

利用卷烟滤嘴ψ函数的期望数值0.79。

优化方案一：调整滤嘴通风率η而保持相对长度ξ不变，根据ψ函数的定义，计算可得η＝0.5，降低滤嘴通风率为50％，可以保证滤嘴过滤效率提高10％。

优化方案二：调整打孔位置相对长度ξ，而保持滤嘴通风率η不变，根据ψ函数的定义，计算可得ξ＝0.35，降低滤嘴通打孔相对位置为35％，可以保证滤嘴过滤效率提高10％。

Claims (1)

1.一种通过优化滤嘴通风率和打孔位置调控滤嘴过滤效率的方法，其特征在于：是通过获得的滤嘴通风率和打孔位置与滤嘴过滤效率之间的函数关系，并利用这两个参数来调控滤嘴达到最佳的过滤效率，具体方法包括：

a、滤嘴通风率和打孔位置对卷烟过滤效率的影响规律

普通卷烟滤嘴即不存在通风孔，是一个典型的高空隙纤维体，烟气气溶胶绝大部分颗粒粒径分布于0.1～1.0μm之间，远远小于滤嘴纤维直径和纤维之间的空隙，因此，滤嘴的过滤作用可看作是多个单纤维过滤作用的复合结果；则普通滤嘴的过滤效率可以表示为：

式中：

E-卷烟滤嘴过滤效率，

s_cellosilk-单根纤维丝截面积，

l-表示滤嘴的总长度，

R-卷烟滤嘴半径，

η_cellosilk-单根纤维丝的过滤效率，

-滤嘴空隙率；

而带有通风孔的卷烟滤嘴与普通卷烟滤嘴对烟气成分的过滤原理存在差异，卷烟滤嘴被通风孔分为滤嘴前段的长度为l₁和滤嘴后段的长度为l₂；烟气在滤嘴中的流动过程可以简化为：烟气从滤嘴前段进入，通过滤嘴通风孔之后，烟气主要在滤嘴后段半径为r的同心圆内流动，此过程前后烟气浓度不发生变化，流速增大；通过通风孔进入的空气主要在滤嘴后段半径为r的同心圆外侧流动，且两者流动速度相等；则卷烟滤嘴通风率η与滤嘴后段烟气通过面积和空气通过面积之比的关系为：

式中：

η-卷烟滤嘴通风率；

R-卷烟滤嘴半径；

r-烟气在滤嘴后段流过的同心圆半径；

因此，通风滤嘴考虑通风孔的影响，对过滤效率公式(1)进行修正，表示为：

经过试验验证修正系数为滤嘴后段相对长度与滤嘴通风率的函数，即

ψ＝(1-ξ)+ξ(1-η)

式中：

ξ-滤嘴后端相对长度，ξ＝l₂/l

η-卷烟滤嘴通风率；

如公式(3)所示，卷烟滤嘴的过滤效率E随卷烟滤嘴半径R、滤嘴空隙率φ、滤嘴长度l、滤嘴单丝截面积s_cellosilk和修正系数ψ的变化而变化；对于已经固定规格的卷烟滤嘴，通过优化滤嘴打孔参数(η和ξ)来调控滤嘴过滤效率实际上是分析修正系数ψ＝(1-ξ)+ξ(1-η)的函数性质，由定义可得ξ和η的取值范围均为0到1；

从以上修正系数ψ的函数关系可以看出，ψ函数随滤嘴后段长度比ξ的增大单调减小，随滤嘴通风率η的增加而单调减小，因为ψ函数并不是双线性函数，这就给调控滤嘴过滤效率提供了操作空间；

由公式(3)可得，对于两种不同通风率和打孔位置的相同材料的滤嘴，其过滤效率E与ψ函数之间存在以下关系：

b、利用过滤效率影响规律确定滤嘴结构函数的变化

根据当前通风滤嘴过滤效率E₁与期望调整后的过滤效率E₂，以及现有的函数ψ₁，采用公式(4)计算滤嘴函数ψ₂；

c、调整滤嘴打孔通风率和打孔位置

利用卷烟滤嘴ψ函数的数值，根据需求调整滤嘴后段相对长度ξ或滤嘴通风率η，使得ψ函数满足过滤效率调整后的要求。