CN1122670A - 滤棒中通气阻力的估算方法 - Google Patents

Abstract

用摩擦阻力与流体阻力之和，按公式17估算丝束充填的卷烟滤嘴的通气阻力。

Description

滤棒中通气阻力的估算方法

本发明涉及一种卷烟滤棒中通气阻力的估算方法。

卷烟上的滤咀是由多束纤维制成的，这种纤维的横截面大致像字母Y的形状(Y截面的细丝)。滤咀是用纸卷上的醋酸细丝做成的。

在卷烟生产中，长度为通常长度6倍或4倍的滤咀称为“滤棒”。制成这种滤棒后，再切成通常的尺寸，然后装到卷烟上。本发明的通气阻力估算方法可以用在滤棒的生产中，也可以用在卷烟的生产中。

通气阻力是卷烟生产时滤咀和滤棒的一个重要性质。

通气阻力是指一个压力差，这个压力差是在常压下使具有一定温湿度的空气以17.5ml/s的流量通过滤咀时，在滤咀两端所产生的，它可以用水柱高度(mm)来表示。因而通气阻力是一个具有压力单位(或量纲)的数值。

通气阻力值是抽烟时滤咀通畅性的一个粗略衡量尺度。在吸烟时，焦油和尼古丁的过滤能力在很大程度上取决于通气阻力，而测量通气阻力却要比测量过滤能力容易得多。因而在卷烟的制造工业中，通气阻力经常被广泛地当成滤咀棒的一个重要特性。

通气阻力随着滤咀尺寸、纤维性质以及纤维充填状态这样一些因素而变化。

为了制造所希望的通气阻力的滤咀和滤棒，就必须预先知道这些因素。因而对滤咀制造商来说，估算通气阻力的方法是重要的而且是必要的。

本发明提供了一种用通气阻力公式来估算滤棒通气阻力的方法。

本发明中滤棒通气阻力估算方法的特征是对滤棒的摩擦阻力和流体阻力求知。

更进一步来说，其特征是由下式来估算填充了丝束的烟草滤棒的通气阻力：

PD＝4(16/Re₁)×9×(Di/Ls)^0.17×(ρ×u²/2gc)×(L/D_H) $+(10.535/{\mathrm{Re}}_2^{0.7672}\×(\mathrm{\ρ}\×u^2/2\mathrm{gc})\×(4\mathrm{\πSp}/C^2)$

PD：通气阻力

Re₁：摩擦阻力公式的雷诺数(Re)

Re₂：流体阻力公式的雷诺数

Di：纤维中心之间的距离

Ls：滤咀截面的润湿周长

ρ：流体密度

u：流速

L：滤咀长度

D_H：摩擦阻力公式的等效直径

Sp：在与流动方向垂直的面上卷曲长纤维的投影面积

C：滤咀周长

gc：重量转换系数

按照本发明，充填了丝束的滤棒的通气阻力可以用化工领域中的通气阻力公式来估算。

这样一来，就可以有效而合理地来确定材料、形状和尺寸，从而制造出抽烟时会产生均匀的通气阻力的滤棒。

图1是本发明的实例中，在丝束充填部分处的一旦尼尔的纤维的截面形状的模型图。

图2是表示图1中每一旦尼尔纤维的接触状态模型图。

图3是图1(A)中一旦尼尔的纤维的直径的解释用图。

图4是每一旦尼尔纤维都处于图1所示的接触状态时的纤维束的宽度尺寸解释用图。

图5是每一旦尼尔纤维都处于图1所示的接触状态的纤维束的高度尺寸解释用图。

图6是纤维束的分布构型的解释用图。

图7是滤咀通气阻力测量值和估算值的对比图。

图8是表示滤咀通气阻力与滤咀长度之间的关系的图。

图9是表示滤咀通气阻力与其周长之间关系的图。

图10是表示了滤咀通气阻力与纤维旦数之间的关系的图。

图11是表示了滤咀通气阻力与纤维相伴面积(ferearea)之间的关系的图。

图12是表示了通气阻力与丝束充填量之间的关系的图。

参照图1到图12，下面描述了本发明的一个实施例。

本发明检验了一个用来获得通气阻力公式的模型，而这个通气阻力公式被用作估算被纤维束充填的烟草滤棒的通气阻力的一种方法。

图1是丝束充填部分中一旦尼尔的纤维的横截面形状的模型图。

在图1中，纤维1具有Y形截面。为了能用一些数值来表示这种关系，用下面的图形做了近似。这个图形包含有三个直径为A的半园，三个长方形(A×B)以及一个正三角形。图1中FS表示纤维1的横截面，H₁表示纤维1的纵向宽度，H₂表示其横向宽度。另外，使用了一个相伴面积(ferearea)FA做为横截面积的形状系数，它可由公式1来计算：

公式1 $\mathrm{FA}=\frac{\mathrm{FS}}{H_1\·H_2}$

图2的模型图表示图1中各个纤维1的接触状态。

在上述丝束充填部分中，由于某些单纤维以相互接触的状态存在，因而可分别用图2(A)到图2(D)来给出有代表性的接触状态的例子。

虽然也考虑了上面的一些接触状态，但是作为用来获得上述滤咀的通气阻力的一个模型，在下面的计算中，却只使用了图2(A)所示的接触状态的模式。

摩擦阻力公式中的等效直径D_H，作为组成上述滤咀的通气阻力公式中的一项，可由公式2求出。

公式2 $D_H=4\frac{V\·}{S}$

其中，

V：滤咀的空间体积

S：与流体接触的面积

根据滤咀长度L，滤咀周长C，丝束充填量W以及丝束的比重，可以求出上面的空间体积V。

此外，从卷烟纸的内侧面积S₁与全部纤维的表面积S₂的总和中，减去与各根纤维的接触的面积S₃，所得的差值就被定义为上述的流体接触面积S。

根据图1中所示的纤维截面的周长，可以得到上述面积S₂。根据纤维的接触状态(图2(A))，可以得到上述面积S₃。

纤维互相接触的部分相当于因丝束开松不好而形成的纤维束。

在纤维的横切面样式中，当截面中接触面的长度为B时，就会由接触着的N根纤维形成一个纤维束，而这个纤维束的周长KL可由公式3得到。

公式3

KL＝FL·N－2(N－1)·B

其中

FL：单纤维的截面的周长(由图1中的A和B表确定)

当丝束截面中存在着K个上述未开松(纤维)组成的纤维束时，则其截面中的全部周长SL可由公式4求出。

公式4

SL＝(TD/FD－N·K)·FL＋K·KL

其中，

TD：总的旦数

FD：纤维的旦数

此外，由于滤咀(丝束填充部分)中纤维1的长度可以由(9×10⁵×W/TD)得到，因而上述流体接触的面积S可用公式5来计算。

公式5

S＝C·L＋9·10⁵(W/TD){(TD/FD－N·K)(3π·A/

   2＋6B)＋K(3π·N·A/2＋(4N＋2)B}

于是利用求解横截面FS和纤维旦数FD关系式、公式1所确定的相伴面积FA和横截面FS之间的关系式以及图1所示的横截面FS和A，B之间的关系式，就可以把图1中的A和B用纤维旦数FD和相伴面积FA来表示。

图3是图1中纤维1的直径的解释图。

图3中说明了3公式1中纵向宽度H₁和横向宽度H₂的计算。

另外，上述直径F可以由公式6求出。

公式6 $F=\sqrt{H_1\·H_2}=\sqrt{\frac{\mathrm{FD}}{9\·{10}^5\·1.32\·\mathrm{FA}}}$

于是可以得到公式2中摩擦阻力的相应直径D_H。

图4是每个纤维都处于图1(A)中接触状态时，纤维束宽度尺寸的解释图。

图4中，N根纤维处于接触状态的纤维束的宽度尺寸FW₁可用公式7求出。

公式7 ${\mathrm{FW}}_1=1.5A+\sqrt{3}B+(N-1)(5A/4+\sqrt{3}B/2)$

同样，图5是每根图1(A)中的纤维都处于接触状态时的纤维束高度尺寸的解释图。

图5中，上述纤维束的高度尺寸FW₂可以用公式8求出。

公式8 ${\mathrm{FW}}_2=2\{(2+\sqrt{3})A/4+B)\}+X$

其中 $X=-\sqrt{3}A/4+3/2$

图6的解释图表示了这种纤维束的存在状态。

在图6中，由于丝束充填部分里上述纤维束的存在状态表现出不确定的形式，所以这种纤维束的宽度是用其平均值表示的，因此，如纤维束包含宽度尺寸FW₁以及转动了90°的高度尺寸FW₂时，其宽度可表示为平均值FW(公式9)。

公式9

W₁＝FW₂·cosθ

W₂＝FW₁·cos(π/2－θ) $\mathrm{FW}=\frac{\∫(W_1+W_2)\mathrm{d\θ}}{\∫\mathrm{\θd\θ}}$

当滤咀中(丝束充填部分)存在着K个上述纤维束时，直径的平均值Fd可以用公式10从公式6所给出的直径F的关系中求出。

公式10

Fd＝{(TD/FD－N·K)·F＋K·FW/(TD/FD－(N－1)K)}

上述的滤咀通气阻力公式是以两部分和的形式得到的，一部分是与滤咀相应的管道中气流受到的摩擦损失，一部分是流体阻力，它是气体流过被丝束填充的部分中的具有纤维形状和纤维尺寸的材料时所产生的，这些被丝束填充的部分是滤咀内部的一个组成部分。

采用通风(fanning)公式来做为管道内部流动的摩擦损失公式。这由公式11给出。

公式11

△P_v＝4·f(ρ·u²/2·gc)·(L/D)

△P_v：因摩擦损失导致的通气阻力

ρ：流体密度

L：滤咀长度

f：管道摩擦系数

u：流速

D：管道内直径

在这种情况下，公式11中管道的横截面是一个园。在截面不是园的情况下，或是在本例中，用了一个由公式2求出的相当直径D_H来代替上述的D。

另一方面，管道摩擦系数f是雷诺数的函数。雷诺数用Re₁来表示，而该Re₁又由公式12来表示。

公式12 $R{e}_1=\frac{D_H\·\mathrm{\ρ}\·u}{\mathrm{\μ}}$

ρ：流体(空气)密度

u：流速

μ：流体(空气)粘滞度

当空气以流速Q流过长度为L、周长为C、丝束充填量为W的滤咀时，上述的流速用醋酸脂的比重可以容易地求出。此外，管道摩擦系数f和雷诺数Re₁之间的关系，可以如公式13所给出的那样，通过与测量值的比较来确定。

公式13

f＝16/Re₁·(Di/Ls)^0.17

Di：纤维中心之间的距离

L_s纤维截面被润湿的周长

由于流体阻力所导致的通气阻力可由公式14所表示。

公式14

△P_f＝C_D(ρ·u²/2·gc)·(4π·S_p/C²)

△P_f：由流体阻力造成的通气阻力

C：滤咀周长

S_p：卷曲纤维在与流动方向垂直的面上的投影面积

C_D：阻力系数

阻力系数C_D可以通过公式15从阻力关系中得到。这个阻力相当于一个与流动方向成直角放置的圆柱，从流体的流动中接受到的阻力。

公式15 $C_D=\frac{10.535}{{\mathrm{Re}}_2^{0.7672}}$

此外，上面的卷曲段投影面积S_p是利用公式16从卷曲纤维的高度Y和直径F_d得来的。

公式16

S_p＝F_d·Y

这样一来，估算滤咀通气阻力的公式可以由公式17得出来，它是公式11和14之和。公式11表示了摩擦损失，它代表了公式12和13用到的阻力；而公式14表示了公式15和16用到的流体阻力。

公式17

PD＝4(16/Re₁)×9×(Di/Ls)^0.17×(ρ×u²/2gc)×(L/D_H) $+(10.535/{\mathrm{Re}}_2^{0.7672}\×(\mathrm{\ρ}\×u^2/2\mathrm{gc})\×(4\mathrm{\πSp}/C^2)$

PD：通气阻力

Re₁：摩擦阻力公式的雷诺数

Re₂：流体阻力公式的雷诺数

Di：纤维中心之间的距离

Ls：滤咀截面被润湿的长度

ρ：流体密度

u：流速

L：滤咀长度

D_H：流体阻力公式的相当直径

S_p：卷曲纤维在与流动方向垂直的面上的投影面积

C：滤咀的周长

gc：重量转换系数

用滤咀通气阻力检测设备测到的数值做比较，证实上述估算通气阻力的公式17是有效的。同时，根据各种参数的影响，也对公式17进行了考查。

图7给出了滤咀通气阻力的测量值与估算值的比较图。正如上述估算值一样，对含有15％未开松的丝束滤咀计算了一个值，该估算值与测量值符合得很好。

此外，丝束开松的纤维对通气阻力施加的影响是很大的，大部分测量值的离散是由丝束开松度造成的。

由于丝束(纤维)未开松度可以用通气阻力的测量值来定量化，因而在本例中，滤咀通气阻力估算公式的可用性还会增加。

图8表示了通气阻力PD和滤咀长度之间的关系，同时也用估算值和测量值证实了通气阻力PD与滤咀长度L成正比的关系。

图9表示了通气阻力PD和滤咀周长C之间的关系，该图是用周长C变化时的通气阻力估算值和测量值来表示的。

图10表示了通气阻力PD和纤维旦数FD之间的关系，该纤维旦数FD与公式4，10等有关。

此外，图10也表示了当纤维旦数变化时，通气阻力PD的估算值和测量值。

其次，尽管在丝束旦数TD变化时进行了通气阻力PD的检测，但却省略了的解释性描述。

图11表示了通气阻力PD和丝束纤维截面形状的相伴面积FA之间的关系，该相伴截面与公式11有关。

上述关系已被估算值和测量值所证实。

图12表示了通气阻力PD和丝束充填重量W之间的关系，该关系由估算值和测量值所证实。

在本发明的滤棒通气阻力估算方法中，由复杂形状纤维构成的卷烟滤棒的通气阻力，可根据与复杂部分参数相应的正确尺寸，通过由摩擦阻力和流体阻力之和组成的通气阻力公式正确地估算出来。

于是，使用估算出来的滤咀通气阻力，就能有效地而且十分可靠地确定有关滤咀的材料、形状和尺寸的最适宜的数值。因此，能容易地制造出一种具有适合于吸烟者的通气阻力特性的滤咀来。

Claims (2)

1.一种估算丝束充填的烟滤咀或滤棒通气阻力的方法，其中该通气阻力是以摩擦阻力与流体阻力之和的形式来估算的。

2.一种估算滤棒通气阻力的方法，其中所述的充填了丝束的滤咀或滤棒的通气阻力是由下式来估算的。

PD＝4(16/Re₁)×9×(Di/Ls)^0.17×(ρ×u²/2gc)×(L/D_H) $+(10.535/{\mathrm{Re}}_2^{0.7672}\×(\mathrm{\ρ}\×u^2/2\mathrm{gc})\×(4\mathrm{\πSp}/C^2)$

PD：通气阻力

Re₁：摩擦阻力公式的雷诺数

Re₂：流体阻力公式的雷诺数

Di：纤维中心之间的距离

Ls：滤咀截面的被润湿周长

ρ：流体密度

u：流速

L：滤咀长度

D_H：摩擦阻力公式的等效直径

S_p：在与流动方向垂直的面上纤维的投影面积

C：滤咀周长

gc：重量转换系数

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