CN114858963A - 一种同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法 - Google Patents
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Abstract
一种同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，是通过定位固定系统和探针/热电偶固定支架，将气溶胶/温度复合探针和温度触发热电偶插入至卷烟燃烧锥不同位置，采用设定温度触发吸烟机抽吸，在抽吸过程中对卷烟燃烧锥原位抽取气溶胶，并由气溶胶测试单元和温度采集模块测试气溶胶特征数据和温度数据，经数据处理后，获得卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场。利用本发明方法可反映卷烟燃烧锥的气溶胶形成过程，解决了卷烟气溶胶形成过程无法表征的问题。
Description
技术领域
本发明属于气溶胶和温度的表征方法领域，特别涉及一种同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法。
背景技术
卷烟燃烧是一种动态、复杂的燃烧体系，其研究涵盖多学科实验、理论和计算机模拟科学。早期的研究多集中于卷烟燃烧过程的表征方面。卷烟在阴燃时的燃烧状态接近于稳态；而在抽吸时，气流可引起卷烟燃烧温度的快速变化，从而在卷烟燃烧锥内形成了燃烧区和裂解区。处于燃烧锥的烟草成分经热解蒸馏、热反应产生烟气成分，然后冷凝形成气溶胶，气溶胶经烟丝段、滤嘴冷凝过滤和稀释等作用，最终形成主流烟气。目前，对于卷烟燃烧锥的研究主要是通过温度场和气流场的表征来解释卷烟燃烧的过程，并建立卷烟燃烧模型。研究表明，卷烟燃烧过程中，随着温度的升高，烟草中的水分和挥发性物质首先被蒸馏出来，烟草中其他物质受热发生热解产生挥发性物质和焦化的炭。燃烧形成的气体成分和热解、蒸馏产生的挥发性物质共同形成主流烟气或侧流烟气。燃烧过程中所产生的一些热量用于加热未发生反应的烟草，从而形成自我维持的燃烧过程。概括说来，卷烟烟气气溶胶的形成过程，经历了燃烧、热解、蒸馏、冷凝等作用。然而，上述研究关于卷烟形成气溶胶的过程主要是基于计算模拟，尚无表征卷烟燃烧锥气溶胶形成过程的技术手段和方法。当前，对于卷烟气溶胶的表征方面，虽已有相关研究报道，但都是对卷烟滤嘴出口端的气溶胶进行表征，而无法获得卷烟燃烧锥的气溶胶形成过程信息，也无法表征气溶胶在形成过程的动态变化。
本发明正是基于上述状况而做出的进一步的研究、探索。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，通过该方法可在卷烟抽吸过程中对卷烟燃烧锥原位抽取气溶胶，并通过气溶胶测试单元和温度采集模块测试气溶胶特征数据和温度数据，以获得燃烧锥的气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，是通过定位固定系统和探针/热电偶固定支架，将气溶胶/温度复合探针和温度触发热电偶插入至卷烟燃烧锥不同位置，采用设定温度触发吸烟机抽吸，在抽吸过程中对卷烟燃烧锥原位抽取气溶胶，并由气溶胶测试单元和温度采集模块测试气溶胶特征数据和温度数据，经数据处理后，获得卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场。
该方法包括以下步骤：
1）测试装置构建, 包括气溶胶测试单元、温度采集模块、气溶胶/温度复合探针、触发用热电偶、探针/热电偶固定架、定位固定系统、吸烟机,所述定位固定系统包括三维滑台和卷烟固定块，气溶胶/温度复合探针、触发用热电偶呈固定间距设置在探针/热电偶固定架上预先开设的固定孔中，探针/热电偶固定架安装在三维滑台上，复合探针、触发用热电偶平行水平设置，并与卷烟固定块中的卷烟轴线方向垂直相交；
2）准备阶段，包括：对卷烟沿轴线方向预打孔，将卷烟安放于卷烟固定块中，并与吸烟机的捕集器连接，通过三维滑台的移动，将气溶胶/温度复合探针、触发用热电偶同时相应插入卷烟预打孔中，对孔隙处进行胶封，并吹干；
3）测试阶段，包括：点燃卷烟，采用预设温度触发吸烟机抽吸卷烟，气溶胶/温度复合探针对卷烟燃烧锥进行气溶胶取样和温度测试，气溶胶由气溶胶测试单元完成实时测试，温度数据由温度采集模块采集；更换卷烟，固定温度触发热电偶的插入位置，更改气溶胶/温度复合探针的位置，重复测试，实现卷烟燃烧锥不同位置多次测试；
4）数据处理阶段，包括：基于测得卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度和粒数中值粒径、温度数据，采用插值法进行不同位置的数据插值补充，构建卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场分布、气溶胶粒数中值粒径场分布和温度场。
在本发明中，所述气溶胶/温度复合探针是将超细热电偶耦合至金属毛细管外侧，可同时实现气溶胶的取样和温度测试。金属毛细管的内径0.1-0.5mm（优选0.2），外径0.2-1mm（优选0.4）。
气溶胶/温度复合探针通过硅胶管与气溶胶测试单元连接，在硅胶管上设置有电磁阀，用于硅胶管的夹止和开启。硅胶管内径0.1-3mm（优选0.5）
所述探针/热电偶固定架上设置有等间距的多个固定孔，分别对气溶胶/温度复合探针和触发用热电偶进行固定，气溶胶/温度复合探针和触发用热电偶之间的间距可调。
在测试阶段，采用预设温度触发吸烟机抽吸卷烟，点燃卷烟，使卷烟保持阴燃状态，待触发用热电偶所测温度达到设定温度时，触发吸烟机对卷烟进行单口抽吸，吸烟机延时信号触发电磁阀开启，气溶胶/温度复合探针在卷烟抽吸过程中对气溶胶进行取样和温度测试。
所述三维滑台具备X-Y-Z三维方向的距离调节功能，距离调节精度为0.01 mm。
在准备阶段，所述对卷烟沿轴线方向预打孔，是通过打孔装置的钻头对卷烟进行精确位置预打孔，打孔孔径0.5mm，最小深度为0.05mm，最大深度为1/2的卷烟直径，深度精度0.01mm。
所述卷烟固定块包括平行设置的半圆形卷烟放置槽和抽气孔，抽气孔用于连接真空气泵，卷烟放置槽与抽气孔之间开有多个通孔，可在通孔处形成负压以吸附固定卷烟。
本发明的操作过程具体如下：将打孔后卷烟安放于卷烟固定块中并与捕集器连接，通过三维滑台将气溶胶/温度复合探针和触发热电偶同时插入至卷烟打孔位置，采用胶水对孔隙处进行密封；然后，点燃卷烟，采用预设温度触发吸烟机抽吸卷烟，气溶胶/温度复合探针对卷烟燃烧锥的气溶胶进行取样，气溶胶由气溶胶测试单元完成实时测试；气溶胶/温度复合探针的温度数据由温度采集模块采集；固定温度触发热电偶的插入位置，更改气溶胶/温度复合探针的位置，重复卷烟测试，实现卷烟燃烧锥不同位置多次测试；最后，基于卷烟燃烧锥不同位置气溶胶和温度测试结果，经数据插值处理，获得卷烟单口燃烧锥气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场。
本发明优点在于：通过测试装置的搭建，实现了卷烟燃烧锥内部不同位置的气溶胶场分布和温度场的检测，测试时，将复合探针探针插入至卷烟燃烧锥内部不同位置，原位抽取气溶胶，并由气溶胶测试单元和温度采集模块实时测试，经数据处理后，获得卷烟燃烧锥内部的气溶胶场分布以及温度场数据，反映了卷烟燃烧锥内部气溶胶的形成过程，改变了目前卷烟燃烧锥气溶胶形成过程无法表征的现状。
附图说明
图1. 本发明方法在所搭建装置的结构原理俯视示意图。
图2. 本发明方法三维滑台、硅胶管、电磁阀及探针/热电偶固定架连接结构原理侧视示意图。
图3. 本发明气溶胶/温度复合探针的示意图。
图4. 本发明探针/热电偶固定架的结构示意图。
图5. 本发明卷烟固定块的结构示意图。
图6. 本发明吸烟机抽吸与电磁阀开启的控制时序图。
图7. 本发明气溶胶取样与卷烟抽吸时间的示意图。
图8. 本发明某卷烟燃烧锥测试点的示意图。
图9. 本发明方法对某卷烟燃烧锥内部某点原位气溶胶测试的粒数浓度和粒径分布图。
图10. 本发明表征某卷烟燃烧锥的气溶胶粒数中值粒径场分布图。
图11. 本发明表征某卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场分布图。
图中：1. 气溶胶测试单元，2. 气溶胶/温度复合探针，21. 金属毛细管，22. 超细热电偶，3. 触发用热电偶，4. 探针/热电偶固定架，41. 固定孔，42. 螺孔，43. 固定螺钉，5. 定位固定系统，51. 三维滑台，511. X-Y位移滑台，512. Z位移滑台，52. 捕集器，53.卷烟固定块，531. 卷烟放置槽，532. 透孔，533. 抽气孔， 6. 吸烟机，7. 硅胶管，8. 电磁阀，9. 卷烟，10. 温度采集模块。
具体实施方式
本发明以下结合附图（实施例）做进一步说明：
如图1-5所示：一种同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，是通过定位固定系统和探针/热电偶固定支架，将气溶胶/温度复合探针和温度触发热电偶插入至卷烟燃烧锥不同位置，采用设定温度触发吸烟机抽吸，在抽吸过程中对卷烟燃烧锥原位抽取气溶胶，并由气溶胶测试单元和温度采集模块测试气溶胶特征数据和温度数据，经数据处理后，获得卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场,具体步骤如下：
1）测试装置构建, 包括气溶胶测试单元1、温度采集模块10、气溶胶/温度复合探针2、触发用热电偶3、探针/热电偶固定架4、定位固定系统5、吸烟机6,所述定位固定系统5包括三维滑台51和卷烟固定块53；气溶胶/温度复合探针2、触发用热电偶3呈固定间距设置在探针/热电偶固定架4上预先开设的固定孔41中，探针/热电偶固定架4安装在三维滑台51上，复合探2针、触发用热电偶3平行水平设置，并与卷烟固定块53中的卷烟轴线方向垂直相交；
2）准备阶段，包括：对卷烟9沿轴线方向预打孔，将卷烟9安放于卷烟固定块53中，并与吸烟机6的捕集器52连接，通过三维滑台51的移动，将气溶胶/温度复合探针2、触发用热电偶3同时相应插入卷烟预打孔中，对孔隙处进行胶封，并吹干；
3）测试阶段，包括：点燃卷烟，采用预设温度触发吸烟机抽吸卷烟，气溶胶/温度复合探针2对卷烟燃烧锥进行气溶胶取样和温度测试，气溶胶由气溶胶测试单元1完成实时测试，温度数据由温度采集模块10采集；更换卷烟，固定温度触发热电偶的插入位置，更改气溶胶/温度复合探针的位置，重复测试，实现卷烟燃烧锥不同位置多次测试；
4）数据处理阶段，包括：基于测得卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度和粒数中值粒径、温度数据，采用插值法进行不同位置的数据插值补充，构建卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场分布、气溶胶粒数中值粒径场分布和温度场。
气溶胶/温度复合探针2的取样流量由气溶胶测试单元1控制，设置气溶胶的取样流量为1 ml。
参见图4：探针/热电偶固定架4上设置有等间距的多个固定孔41，间距为2 mm，分别对气溶胶/温度复合探针2和触发用热电偶3进行固定，气溶胶/温度复合探针2和触发用热电偶3的相对位置可调。应使气溶胶/温度复合探针2和触发用热电偶3处于平行位置，两者的平行间距可调，两者前端的相对位置可调。固定孔41孔径设置为0.4 mm，固定孔41的侧方设置有螺孔42，并配套固定螺钉43。
气溶胶/温度复合探针2通过硅胶管7连接于气溶胶测试单元1，在硅胶管7上设置有电磁阀8，用于硅胶管7的夹止和开启。硅胶管7应置于电磁阀8的夹杆处，硅胶管7内径为1mm，外径为3 mm，其一侧连接于气溶胶/温度复合探针2，另一侧连接于气溶胶测试单元1。
参见图5：卷烟固定块5设置有半圆形卷烟放置槽531、透孔532、抽气孔533，抽气孔533与真空气泵相连，将卷烟9放置于卷烟放置槽531内。开启真空气泵，透孔532处形成负压以吸附固定卷烟9。
预设温度触发吸烟机6抽吸卷烟9的具体工作方式：点燃卷烟9，使卷烟9保持阴燃状态，待触发用热电偶3所测温度达到设定温度时，控制系统触发吸烟机6对卷烟9进行单口抽吸，吸烟机6延时信号触发电磁阀8开启，气溶胶/温度复合探针2在卷烟9抽吸过程中对气溶胶进行取样和温度测试。
吸烟机6采用ISO或HCI单口抽吸，其延时信号触发电磁阀8开启，应使气溶胶/温度复合探针2的气溶胶取样时刻为卷烟9抽吸持续时间的中间段，延时信号触发的延时时间为0.5 s，取样时间为1 s。
实施例1：
同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的装置和方法，该方法的具体操作为：首先，对卷烟9进行预打孔，将卷烟9固定于定位固定系统5的卷烟固定块53和捕集器52上。其中卷烟9需要置于卷烟放置槽531内，开启真空气泵，卷烟9被吸附固定。通过定位固定系统5的X-Y位移滑台511和Z位移滑台512，将气溶胶/温度复合探针2和触发热电偶3同时插入至卷烟9特定位置，采用胶水对孔隙处进行密封；然后，点燃卷烟9，如图6所示，当触发用热电偶3所测温度达到预设温度时，温度触发信号触发吸烟机6抽吸卷烟9，以ISO或HCI抽吸模式进行单口抽吸，抽吸持续时间为2 s，吸烟机6延时0.5 s发出电磁阀触发信号触发电磁阀8开启，电磁阀开启时间为1 s，从而使气溶胶/温度复合探针2对卷烟燃烧锥的气溶胶进行取样，取样区间位于卷烟9抽吸的钟形波内（图7），气溶胶由气溶胶测试单元1完成实时测试；气溶胶/温度复合探针2的温度数据由温度采集模块10采集；固定温度触发热电偶3的插入位置，更改气溶胶/温度复合探针2与触发用热电偶3在卷烟9内部的相对位置，如图8所示，重复卷烟9测试，实现卷烟燃烧锥不同位置多次测试；最后，基于卷烟燃烧锥不同位置气溶胶和温度测试结果，经数据插值处理，获得卷烟单口燃烧锥气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场。
实施例2：
采用本发明的装置和方法对某卷烟燃烧锥气溶胶场粒数浓度场分布和气溶胶粒数中值粒径场分布进行表征。图8所示为该卷烟燃烧锥的测试点，设置气溶胶/温度复合探针2的气溶胶取样流量为5 ml，吸烟机采用ISO抽吸模式对卷烟进行单口抽吸，测得不同位置取样气溶胶的粒数浓度和粒径分布（见图9），计算得到平均粒数浓度和粒数中值粒径。平行测定5次，取平均结果。基于所测位置的数据，采用线性插值方法进行数据插值处理，从而得到卷烟内部各位置数据，可得卷烟燃烧锥气溶胶粒数浓度和气溶胶粒数中值粒径场分布图，此外得到了卷烟燃烧锥中轴线位置的温度梯度。
如图10所示，卷烟燃烧锥的气溶胶粒径在20~130 nm范围内，其场分布呈现锥形结构，与卷烟燃烧锥的形状相一致。在横向方向上，气溶胶的粒数中值粒径沿着抽吸方向呈现逐渐增大的趋势，这是因为气溶胶在燃烧锥表面形成并在烟丝中移动时，由于半挥发成分在气溶胶表面的冷凝，导致了气溶胶粒径的增大。如图11所示，卷烟燃烧锥的气溶胶浓度场分布也呈现出一定的锥形结构。在横向方向上，气溶胶浓度沿着抽吸方向呈现先增大后减小的趋势，这是因为，在燃烧锥的冷凝区，气溶胶大量形成，之后由于烟丝对气溶胶的过滤作用，使气溶胶浓度开始降低。
Claims (10)
1.一种同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，是通过定位固定系统和探针/热电偶固定支架，将气溶胶/温度复合探针和温度触发热电偶插入至卷烟燃烧锥不同位置，采用设定温度触发吸烟机抽吸，在抽吸过程中对卷烟燃烧锥原位抽取气溶胶，并由气溶胶测试单元和温度采集模块测试气溶胶特征数据和温度数据，经数据处理后，获得卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场。
2.根据权利要求1所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）测试装置构建, 包括气溶胶测试单元、温度采集模块、气溶胶/温度复合探针、触发用热电偶、探针/热电偶固定架、定位固定系统和吸烟机，所述定位固定系统包括三维滑台和卷烟固定块，气溶胶/温度复合探针、触发用热电偶呈固定间距设置在探针/热电偶固定架上预先开设的固定孔中，探针/热电偶固定架安装在三维滑台上，复合探针、触发用热电偶平行水平设置，并与卷烟固定块中的卷烟轴线方向垂直相交；
2）准备阶段，包括：对卷烟沿轴线方向预打孔，将卷烟安放于卷烟固定块中，并与吸烟机的捕集器连接，通过三维滑台的移动，将气溶胶/温度复合探针、触发用热电偶同时相应插入卷烟预打孔中，对孔隙处进行胶封，并吹干；
3）测试阶段，包括：点燃卷烟，采用预设温度触发吸烟机抽吸卷烟，气溶胶/温度复合探针对卷烟燃烧锥进行气溶胶取样和温度测试，气溶胶由气溶胶测试单元完成实时测试，温度数据由温度采集模块采集；更换卷烟，固定温度触发热电偶的插入位置，更改气溶胶/温度复合探针的位置，重复测试，实现卷烟燃烧锥不同位置多次测试；
4）数据处理阶段，包括：基于测得卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度和粒数中值粒径、温度数据，采用插值法进行不同位置的数据插值补充，构建卷烟燃烧锥的气溶胶粒数浓度场分布、气溶胶粒数中值粒径场分布和温度场。
3.根据权利要求1或2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，所述气溶胶/温度复合探针是将超细热电偶耦合至金属毛细管外侧，可同时实现气溶胶的取样和温度测试。
4.根据权利要求1或2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，所述探针/热电偶固定架上设置有等间距的多个固定孔，分别对气溶胶/温度复合探针和触发用热电偶进行固定，气溶胶/温度复合探针和触发用热电偶之间的间距可调。
5.根据权利要求1或2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，所述气溶胶/温度复合探针通过硅胶管与气溶胶测试单元连接，在硅胶管上设置有电磁阀，用于硅胶管的夹止和开启。
6.根据权利要求1或2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，在测试阶段，采用预设温度触发吸烟机抽吸卷烟，点燃卷烟，使卷烟保持阴燃状态，待触发用热电偶所测温度达到设定温度时，触发吸烟机对卷烟进行单口抽吸，吸烟机延时信号触发电磁阀开启，气溶胶/温度复合探针在卷烟抽吸过程中对气溶胶进行取样和温度测试。
7.根据权利要求2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，所述三维滑台具备X-Y-Z三维方向的距离调节功能，距离调节精度为0.01 mm。
8.根据权利要求2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，在准备阶段，所述对卷烟沿轴线方向预打孔，是通过打孔装置的钻头对卷烟进行精确位置预打孔，打孔孔径0.5mm，最小深度为0.05mm，最大深度为1/2的卷烟直径，深度精度0.01mm。
9.根据权利要求2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，所述卷烟固定块包括平行设置的半圆形卷烟放置槽和抽气孔，抽气孔用于连接真空气泵，卷烟放置槽与抽气孔之间开有多个通孔，可在通孔处形成负压以吸附固定卷烟。
10.根据权利要求2所述的同时表征卷烟燃烧锥气溶胶场和温度场的方法，其特征在于，该方法的操作过程如下：将打孔后卷烟安放于卷烟固定块中并与捕集器连接，通过三维滑台将气溶胶/温度复合探针和触发热电偶同时插入至卷烟打孔位置，采用胶水对孔隙处进行密封；然后，点燃卷烟，采用预设温度触发吸烟机抽吸卷烟，气溶胶/温度复合探针对卷烟燃烧锥的气溶胶进行取样，气溶胶由气溶胶测试单元完成实时测试；气溶胶/温度复合探针的温度数据由温度采集模块采集；固定温度触发热电偶的插入位置，更改气溶胶/温度复合探针的位置，重复卷烟测试，实现卷烟燃烧锥不同位置多次测试；最后，基于卷烟燃烧锥不同位置气溶胶和温度测试结果，经数据插值处理，获得卷烟单口燃烧锥气溶胶粒数浓度场、气溶胶粒数中值粒径场和温度场。
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