郭健鈺　王小伍

（1.廣州市執(zhí)信中學(xué)，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

電子煙霧化室的傳熱性能

郭健鈺1王小伍2

（1.廣州市執(zhí)信中學(xué)，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

目前對電子煙的關(guān)鍵部件-霧化室的工作性能研究較少。為了找出消費(fèi)者所反映的問題關(guān)鍵，采用FLUENT流體計(jì)算軟件模擬了電子煙霧化室的溫度、相比例等參數(shù)與時間的關(guān)系：當(dāng)時間t=30s時，霧化氣體出口面面積加權(quán)溫度達(dá)到了333.74K。減小電阻絲單位面積功率或者硅膠熱傳導(dǎo)系數(shù)，均可使得氣體通道區(qū)域液相體積比減少。電阻絲功率為5.6×106W. m-2時，霧化氣體出口面面積加權(quán)溫度為329.54K，當(dāng)硅膠熱傳導(dǎo)系數(shù)由0.35J.K-1.m-1減小到0.20J.K-1.m-1時，霧化氣體出口面面積加權(quán)溫度為333.70K。

電子煙；霧化器；傳熱傳質(zhì)

1　引言

電子煙（見圖1）靠電池提供的電力工作，吸煙者吸氣時，壓力傳感器就會打開電阻絲開關(guān)加熱，煙彈中丙二醇、丙三醇被蒸發(fā)，將煙彈中含有的煙堿液霧化成蒸汽，使人產(chǎn)生吸煙的感覺。目前對電子煙的文獻(xiàn)報(bào)道集中在電子煙的健康性能、添加劑配方以及社會認(rèn)可度方向［1-3］。國內(nèi)外不少專利則解決了一些技術(shù)問題，JOURNO M S［4］等設(shè)計(jì)了支撐電子煙的設(shè)備，HU Y［5］發(fā)明了新型電子開關(guān)設(shè)備，LI S［6］等提出改善煙堿液的顆粒分布的方法。然而消費(fèi)者反映的電子煙質(zhì)量問題主要集中在：（1）在多次使用后，煙霧有異味，刺激喉嚨；（2）吸食多口后，煙霧溫度過高，有燙嘴的感覺。這些問題均與電子煙霧化室質(zhì)量有關(guān)，霧化室的工作性能決定電子煙質(zhì)量高低。

圖1　電子煙結(jié)構(gòu)

目前的霧化技術(shù)主要有氣動霧化、超聲霧化、熱霧化等［7］，但沒有看到對電子煙的霧化技術(shù)的研究。周世萍［8］等人研究了超聲霧化進(jìn)樣系統(tǒng)在電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜中的應(yīng)用。郭玉生［9］設(shè)計(jì)了水冷式加熱霧化室。花軍［10］等根據(jù)氣泡霧化理論，對不同氣液比豆膠與空氣在氣泡霧化噴嘴內(nèi)部的流動情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。陳曦［11］等對新型振動式網(wǎng)孔霧化器進(jìn)行了有限元的仿真分析。陳世柱［12］深入地分析了旋渦環(huán)縫式霧化器的工作特征。

本文通過實(shí)驗(yàn)，獲得煙堿的熱物性數(shù)據(jù)，建立霧化室工作的理論模型，并利用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，研究霧化室霧化性能，找到影響霧化室工作質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2　材料與方法

2.1材料和儀器

（1）試劑。電子煙煙堿液（尼古丁質(zhì)量含量1%）。

（2）儀器。差示掃描量熱儀（DSC，德國NETZSCH公司），熱傳導(dǎo)系數(shù)儀Hot Disc（瑞士進(jìn)口TPS 2500）。

2.2方法

（1）DSC測量煙堿液的熱容。升溫速率2K.mim-1，每過5min采集一次數(shù)據(jù)，參比材料AL2O3，精確度10%。

（2）Hot Disc測量煙堿液熱傳導(dǎo)系數(shù)。測量準(zhǔn)確度3%。

2.3數(shù)值計(jì)算模型

霧化室工作模型見圖2，鋰電池型號為3.7V/650mAh。利用GAMBIT軟件建立網(wǎng)格，F(xiàn)LUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算?！癝OLER”選項(xiàng)組中選擇-“pressure-based”、“unsteady”、“implicit”，“phase”選擇“MIXTURE”/“condensation-evaporation”模型，設(shè)置物相為三相。邊界條件中設(shè)置煙氣出口為PRESSUREOUTLET，外壁面為WALL，與外界空氣自由換熱，設(shè)置硅膠、玻纖氣體通道、壁面、電極絕緣區(qū)域等區(qū)域交界面為INTERFACE型。浸泡煙堿液的E棉區(qū)域設(shè)置為孔隙率為90%的多孔材料區(qū)。

圖2　霧化室工作模型

3　結(jié)果與討論

圖3為煙堿液熱容隨溫度的變化曲線，從圖3中可以看出煙堿液在氣化前后的熱容大致呈線性變化，相變溫度大約在108oC左右。

圖3　熱容隨溫度的變化情況

圖4為煙堿液熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化情況，從圖4中同樣可以看出相變溫度大約在107oC左右，與熱容實(shí)驗(yàn)得出的相變溫度基本吻合。相變之前，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變大，相變后隨溫度減小。

圖4　熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化情況

消費(fèi)者每次使用電子煙時的吸食次數(shù)為15次左右，按每次吸食對霧化室加熱的時間為2s計(jì)，加熱時間為30s相應(yīng)的吸食次數(shù)即15次。圖5為通過fluent后期處理得到t=30s時刻、y=0平面的溫度分布圖和氣相體積比。

圖5　不同時刻的溫度分布和氣相體積比

從圖5（a）中可以看出，當(dāng)t=30s時，加熱面附近區(qū)域的溫度已經(jīng)上升到160oC左右，兩端的硅膠區(qū)域和電極絕緣區(qū)溫度也上升到56oC左右。從圖5 （b）中可以看出，當(dāng)t=30s時，液相在玻纖氣體通道內(nèi)的比例不為零，吸食者有可能吸入液態(tài)煙堿液，這也是吸食者覺察煙氣有異味的原因之一。

表1為由FLUENT計(jì)算得到的不同時刻出口平面的霧化氣體面積加權(quán)溫度。

從表1中可以看出，在t＜20s時，霧化氣體出口平面加權(quán)溫度上升較快，在t＞20s后，加權(quán)溫度上升速度減緩。t=20s時，霧化氣體的溫度已經(jīng)上升到323.604K（與某電子煙生產(chǎn)廠家提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)51oC接近），這時若繼續(xù)吸食，霧化氣體在出口處的加權(quán)溫度還繼續(xù)上升，吸食者將感覺煙氣燙嘴。

選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的硅膠，可以改變霧化室工作性能。圖6為硅膠的熱傳導(dǎo)系數(shù)由0.35J.k-1.m-1下降到0.2J.k-1.m-1時，模擬得到的霧化氣體在t=30s、y=0平面的溫度分布圖。對比圖6和圖5（a），兩圖顯示的整體溫度相差不大，硅膠熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.20J.k-1.m-1時，F(xiàn)luent計(jì)算的出口處加權(quán)溫度也僅降低了0.04K，但液相在氣體通道區(qū)域的體積加權(quán)百分比為6.675%，減少了13%。

表1　出口平面的霧化氣體面積加權(quán)溫度

適度降低電池功率，從而減小電阻絲溫度，煙氣出口溫度也可以降低，但氣化性能將有少許變化。當(dāng)電池功率降低15%（電阻絲單位面積加熱功率為5.6×106W.m-2），t=30s時，霧化氣體出口處的面積加權(quán)溫度為329.54K。表2給出電阻絲單位面積加熱功率為6.6×106W.m-2和5.6×106W.m-2時，霧化氣體的質(zhì)量流量和相比例。從表2可以看出，電阻絲加熱功率為5.6×106W.m-2時，后期的氣體通道區(qū)域液相體積比減少，減小了吸食者吸入液體煙堿的可能性，多孔區(qū)域氣體比例降低，更有利于煙堿液的流動，但出口面氣體質(zhì)量流量也減少，不利于消費(fèi)者吸食口感。

表2　霧化氣體的質(zhì)量流量速度和氣液體積比

4　結(jié)論

采用FLUENT流體計(jì)算軟件模擬了電子煙霧化室的溫度、相比例等參數(shù)與時間的關(guān)系：當(dāng)時間t=30s時，霧化氣體出口面面積加權(quán)溫度達(dá)到了333.74K。減小加熱電阻絲功率或者硅膠熱傳導(dǎo)系數(shù)，均可使得氣體通道區(qū)域液相體積比減少。電阻絲單位面積加熱功率為5.6×106W.m-2時，霧化氣體出口面面積加權(quán)溫度為329.54K，當(dāng)硅膠熱傳導(dǎo)系數(shù)由0.35J.K-1.m-1減小到0.20J.K-1.m-1時，霧化氣體出口面面積加權(quán)溫度為333.70K。

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Heat transfer performance of atomizer of electronic cigar

Few researches are conducted about the work performance of key components of electronic cigar-- atomizer. This paper uses the FLUENT software to simulate the relationship between time and some related parameters， such as temperature， phase fraction etc. At t = 30 s， area-weighted average static temperature at outlet face reaches 333.74 K. Reducing the power of resistance per area or the thermal conductivity of silica gen can reduce the liquid volume fraction in gas passage zone. When the power of resistance per area is 5.6×106W.m-2， the area-weighted average static temperature at outlet face is 329.54 K. When the thermal conductivity of silica gen reduces from 0.35J.K-1.m-1to 0.20J.K-1.m-1， the area-weighted average static temperature at outlet face is 333.70 K.

Electronic cigar； atomizer； heat and mass transfer

TK12

A

1008-1151（2016）03-0052-03

2016-02-10

華南理工大學(xué)學(xué)生研究項(xiàng)目“界面性質(zhì)對霧化的影響”（X21XD2134650）。

郭健鈺（1999-），男，廣東興寧人，廣州市執(zhí)信中學(xué)學(xué)生，從事傳熱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析；王小伍（1972-），女，湖南邵陽人，華南理工大學(xué)教授，研究方向?yàn)槲⒊叨葌鳠醾髻|(zhì)的熱力學(xué)分析。