（分析化学专业论文）卷烟燃烧温度的动态测试与调控技术研究.pdf

博士后研究工作报告 中文摘要 中文摘要 在国内首次自行组建了燃烧卷烟的测温系统，并利用此测温系统对卷烟内部 气相温度和卷烟外围固相温度的分布进行了动态测量，初步验证了卷烟内部抽吸 时空气进入燃烧锥的过程机理。 由于烟叶产地和质量、以及卷烟的辅材和配方，均可能会影响卷烟的燃烧状 态，于是就对一系列商品烟和单料烟的燃烧温度进行了测量。从结果中推论可能 不同烟叶有机钾含量的不同，导致卷烟具有不同盼抽吸最高温。而抽吸最高温的 不同也影响着各种类型单料烟的烟气。在烤烟中加入七种钾盐发现除了k h 2 p 0 4 其它六样钾盐均能降低卷烟的燃烧温度，对每口c o 含量和温度进行作图发现， 除了k n 0 3 和k n 0 2 以外，其它大部分烤烟加入钾盐添加剂后，每口c o 含量和 温度的变化比较一致。 由于每个人的抽吸习惯和方式会有较大的改变，因此在不同的抽吸条件下进 行了固相抽吸最高温的测量，并分析了烟气的变化情况。发现随着抽吸容量的上 升、抽吸时间的减少、阴燃时间的增加，烟支的最高抽吸温度呈上升趋势。抽吸 条件的变化和燃烧温度的变化同样影响了烟气的释放量。 而裂解实验的结果也表明裂解温度和烟气稠环芳烃的量有非常大的关系。 本工作最后合成了一类新的催化剂，发现能在较低温度下催化纯c 0 燃烧， 但是应用在卷烟上时，催化效果不理想，可能是因为卷烟烟气中成分太复杂，使 催化剂毒化了。 关键词：卷烟，燃烧温度，有机钾盐，烟气，裂解，催化剂 堡主旦里塞三笪墨查! 。茎兰垫蔓 a b s t r a c t s e r i e sw o r kh a sb e e nf o c u s e do nt h ea p p a r a t u so fm e a s u r i n gb u r n i n gt e m p e r a t u r e o fc i g a r e t t e ，t h ef a c t o rt oa f f e c tt h eb u r n i n gt e m p e r a t u r ea n dt h er e l a t i o nb e “v e e nt h e b u r n i n gt e m p e r a t u r eo f c i g a r e t t ea n dt h em a i n s t r e a ms m o k e t h em i c r of a s tr e s p o n s et h e r m o c o u p l ew a sd e v e l o p e d f o rd e t e r m i n i n gt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so ft h eg a sp h a s e sw i t h i nt h ec o m b u s t i o nc o a lo fac i g a r e t t e t h ei n f r a r e ds y s t e mw a su s e df o rd e t e r m i n i n gt h es o l i dp h a s et e m p e r a t u r e t h et w o s y s t e m sh a de n o u g hp r e c i s i o na n ds e n s i t i v i t yt om e a s u r et h eb u r n i n gt e m p e r a t u r eo f c i g a r e t t e d u r i n gt h es m o k i n gc y c l e ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sv a r i e dr a p i d l ya n d t h eh i g h e s tg a st e m p e r a t u r eo c c u r r e di nt h ec e n t r eo ft h ec o a l ，w h i l et h eh i g h e s ts o l i d p h a s et e m p e r a t u r eo c c u r sa tt h ec o a lp e r i p h e r y t h eb u r n i n gt e m p e r a t u r eo fas e r i e so fc i g a r e t t eh a db e e nm e a s u r e d t h e m a x i m u mp u f ft e m p e r a t u r eo fb u r l e y t o b a c c o t y p e dc i g a r e t t ew a sl o w e s tw i t l l t h e h i 曲e s tc o n t e n to fo r g a n i cp o t a s s i u ms a l t s w h e ne x o g e n o u sp o t a s s i u ms a l t se x c e p t k h 2 p 0 4w e r ea d d e dt ot h ef l u ec u r e d t o b a c c o - t y p e dc i g a r e t t e ，t h ed e c r e a s eo ft h e m a x i m u mp u f ft e m p e r a t u r ec o u l da l s ob eo b s e r v e d l o w e rp u f fv o l u m em e a n tl o w e r v e l o c i t ya n dl o w e rt e m p e r a t u r e ac h a n g e i n p u f fd u r a t i o n a l s oa f f e c t e dt h e t e m p e r a t u r e t h es a m ea p p l i e d t h ep u f ff f e q u e n c gt h ec o m p o s i t i o no fc i g a r e t t e s m o k ew a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ec o a lt e m p e r a t u r e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o l y c y c l i c a r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) a n dt h e t e m p e r a t u r e w a sa l s os t u d i e db yp y r o l y s i se x p e r i m e n t s i n c r e a s et h ep y r o l y s i s t e m p e r a t u r el e dt oa ni n c r e a s i n gi nt h ey i e l d sn o to n l yo f t h et o t a lp a l - i s ，b u ta l s ot h e e a c hi n d i v i d u a lp a l l an e wp e r o v s k i t e sc a t a l y s tw a sp r e p a r e da n dt e s t e do nc i g a r e t t e t h ec a t a l y s t c o u l do x i d ec oa tl o w e rt e m p e r a t u r e ，b u ti tw a sp o i s o n e di n s i d et h eb u r n i n gc i g a r e t t e k e y w o r d s ：c i g a r e t t e ，b u m i n gt e m p e r a t u r e ，o r g a n i cp o t a s s i u m s a l t s ，s m o k e ， p y r o l y s i s ，c a t a l y s t 博f j ：后研究工作报告文献综述 1 _ 1 引言 第一章文献综述：卷烟燃烧过程的相关研究 卷烟烟支主要是由烟草、添加剂、卷烟纸、滤嘴等构成的，其中最重要的是 烟草。在卷烟的燃烧过程中，存在两种性质不同的燃烧方式：吸燃和两次抽吸间 的自然阴燃。卷烟燃烧温度的测定是指卷烟吸燃和自燃阴燃时的温度测定。 1 2 卷烟的燃烧历程 自 侧流烟气轻质气体 气体 侧 主流烟气 图1 1 燃烧卷烟图：( a ) 燃烧放热区：( b ) 热解蒸馏区 f i g u r e1 1t h es c h e m eo f b u r n i n gc i g a r e t t e 烟支被点燃后，首端立即生成炭，从而形成了卷烟的燃烧系统。燃烧部分的 固体物质形成一个锥体一燃烧锥。燃烧锥与未燃烧卷烟纸之间有一条黑色的炭 线。抽吸时锥体底部外围的烟草被燃烧掉，炭线后移，锥体变长，空气通过燃烧 区被吸入卷烟，由此产生的烟气为主流烟气( m a i n s t r e a ms m o k e ，简写为m s ) 。 暂停抽吸时，锥体阴燃而变短，直至与空气达到热平衡为止，此时围绕燃烧区的 空气向上自然对流维持卷烟燃烧，并形成侧流烟气( s i d e s t r e a ms m o k e ，简写为 s s ) ( 见图1 1 ) 。 博士后研究工作报告文献综述 主流烟气进入吸烟者的口腔，通过喉部吸入肺部，达到刺激神经、产生生理 强度的作用。在进行卷烟内在质量评吸时，主要通过对主流烟气的鉴别，判断其 香味、杂气、刺激性、余味等优劣品质。侧流烟气不进入吸烟者的口腔。动态抽 吸时形成的主流烟气与静态燃烧产生的侧流烟气在化学成分的种类及含量上有 差异。 m u r a m a t s a 综述了涉及烟气形成的主要过程 ! ，如图1 2 所示。此简图适用 于吸燃和阴燃两种条件。 蒸馏一热解区燃烧放热区 厂人_ 、厂 、一 囱 图1 2 卷烟燃烧时的主要历程简图 f i g u r e1 2t h ed i a g r a mo f t h ep r o c e s so f t h eb u r n i n gc i g a r e t t e 由于烟草受热，致使水分和挥发性组分馏出以及些组分热分解( 热解) ， 这两种情况都会导致挥发性气态物生成并残留下炭化烟草。这些炭化烟草借助阴 燃时的自然对流或吸燃时的强制对流与空气中的氧化快速反应。这种燃烧放出热 量并生成简单的燃烧气念产物：二氧化碳、一氧化碳和水，剩下的无机组分以灰 分的形式存在。气体和挥发性组分进而形成主流烟气或侧流烟气。燃烧中产生的 热量有一部分反馈回来加热未反应的烟草，从而形成一个经典的自我维持燃烧循 环。 博i 后研究工作报告 文献综述 在研究烟气形成时，由于烟草温度及其受热速率很重要，b a k e r 分别测出固 相和气相的温度分布引，并测出卷烟内部各点的气体流速【3 l 。通过上述的研究成 果，卷烟的燃烧历程可以合理解释如下【4 。7 l ：在卷烟中，烟草的燃烧速率受限于 氧气到达烟草表面的传质速率0 1 。因为燃烧区气体的粘度及速度随温度升高而 增加，所以燃烧区对气流有相对较高的阻力【i ”。而卷烟纸在温度约为3 0 0 时开 始发生热降解f 1 4 】，其边缘的空气透气度迅速增加，所以空气倾向于从燃烧线附 近吸阻较低的燃烧区基部进入卷烟pj 。此时，由于进入卷烟内的大部分空气只是 旁经燃烧区的中心区域，所以中心区域的气固相温度增加量小于燃烧区边缘的增 加量，而燃烧区基部来自烟草放热燃烧的热释放大于热散失，所以固相的表面温 度会增至9 0 0 。c 以上。因而抽吸时主要是燃烧区的边缘在燃烧推进 1 2 , 1 3 l 。抽吸结 束时，因为到达燃烧区表面的氧气量大为减少，所以表面氧化放热反应程度也大 为降低，燃烧区边缘因向环境散热而迅速冷却，此时其主要热源是燃烧锥中心区 域，氧气通过扩散进入燃烧区后部 ” ，燃烧区中心区域向前推进，在燃烧区后 重新建立一个径向温度相对恒定的较浅区域。因此，通常要在每口抽吸结束1 5 秒后才会见到燃烧线移动。 1 3 特定烟气组分的形成和温度的关系 主流烟气的组成相当复杂，包括许多不同类型的化学物质，其中多数含量极 低1 5 - 2 h 。d u b 和g r e e n 估计大约有3 8 7 5 种有机化学成分，而烟草本身含有大约 2 2 5 0 种物质，烟气中特有的物质有2 4 7 0 种，即卷烟烟草组分在燃烧时通过热解 和高温合成反应所形成的物质【2 2 1 。一般来说，存在于主流烟气中的化学物质同 样存在于侧流烟气中，但是它们在每支卷烟中产生的量取决于各组分本身4 , 2 3 - 3 3 。 在所有的烟气中c o 和c 0 2 是烟气中的主要产物，由许多烟草组分：淀粉、 纤维素、糖、羧酸、酯和氨基酸等经热分解或燃烧反应而形成【4 】。在燃烧卷烟中， 大约有3 0 的c o 是由烟草组分热分解产生，大约有3 6 由烟草燃烧产生，至少 有2 3 是c 0 2 经碳还原而成【3 4 】。侧流烟气中c 0 2 c o 相对高些，这主要是因为 阴燃时燃烧区的表面温度( 不到6 0 0 c ) 过低难以发生c 0 2 还原反应。 气相中的水分是一种质量与c o 和c 0 2 相当的主要燃烧产物。它很大程度上 博士后研究工作报告 文献综述 是热解产生的氢气扩散进入侧流烟气缕经靠近温度为3 0 0 5 0 0 的燃烧区表面的 氧气氧化形成的二级产物p ”。 气相中的烃类如甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯及乙炔一般是由石蜡、三醋 酸甘油酯、脂肪酸、氨基酸、醛和酯类等烟叶组分在温度为3 0 0 5 5 0 间热分解 所生成【8 3 6 39 1 。 烟气中存在的肼、氨、氮气等来自于硝酸盐还原和各种氨基酸、蛋白质等的 热解 4 0 4 ”。在抽吸时的高温条件下，硝酸盐和甘氨酸形成h c n 2 9 ，4 1 “孙。当温度 高于7 0 0 。c 时，氨基酸、肽、生物碱经高温合成反应而形成c h 3 c n 4 2 - 4 4 。 p a t t e r s o n 等人的热解实验表明氧硫化碳是由含硫氨基酸，如半胱氨酸、胱氨 酸、高胱氨酸、甲硫氨酸、甲硫氨酸砜和甲硫氨酸亚砜在8 5 0 c 热分解产生 4 ”。 烟气中烃的形成经研究认为是烟草热解时的温度【8 ，3 6 。3 7 1 以及烟叶中所发现 的一些物质，如n c 2 5 h 5 2 、植醇、新植二稀、正三十二烷及豆甾醇m 4 6 。8 1 的一个 函数。所有结果都表明温度约为4 0 0 6 0 0 时生成一系列的正烷烃与烯烃，温度 约7 0 0 生成萘，温度高于8 0 0 时生成多环芳烃。 烟气中的亚硝胺包含烟草特有和非特有亚硝胺。烟草特有亚硝胺除了经热分 解进入烟气外，还可以通过转移进入烟气，另外还会高温合成一些硝胺。主流烟 气中非烟草特有，或挥发性亚硝胺的含量比烟草特有亚硝胺要低得多，虽然在加 工过的烟草中含有少量并且可以转移进烟气，但一般都认为它们在烟气中主要来 源还是高温合成。 综上所述，烟气中的各种化学物质的生成和卷烟燃烧温度的高低有密不可分 的关系，因此对卷烟燃烧温度的测定以及调控是非常重要的一项研究内容。 1 4 卷烟燃烧温度的测量方法研究 在1 9 世纪5 0 年代末期，烟草科学界就已经开始了对燃烧的卷烟在阴燃和抽 吸时的最高温度的测定5 叭。不过由于卷烟内部疏松的结构，温度分布的不规则 以及快的气体流速，使得这方面的工作有一定的难度。到了6 0 年代和7 0 年代， 卷烟燃烧温度的测定已经是一个比较活跃的研究领域 5 1 5 引。当时用裸露的热电 偶测量结果表明在卷烟的燃烧锥中心存在着最高温度，不过这个报道的温度值在 4 博士后研究工作报告 文献综述 不同的实验中相差比较大，这可能和实验的误差、热电偶的规格等都有关系。 t o u e y 和m u m p o w e r 观察了热电偶丝的规格和燃烧最高温读数的关系。他们发 现直径从o 1m m 降到o 0 2 5m m ，能使读数增加1 2 t c p “。在类似的研究中， k o b a s h i 发现热电偶直径从0 2m m 降到o 0 5m m ，能使温度读数从6 5 6 。c 增大到 8 1 2 。c ，当直径降到0 0 31 t u t i 时，读数增大到8 1 5 ”j 。p y r i k i 和m u l l e r 用更细的 热电偶丝( o ，0 1 5 m m ) 观察到抽吸时的最高温达到了1 0 5 0 。然而，这种卷烟和 其它的卷烟是不一样的1 5 “。 虽然用热电偶也偶尔检测出在燃烧卷烟的外围有热点比卷烟内部的温度 高，但是绝大部分的结果表明在各种燃烧状态下，温度值从卷烟中心沿着半径到 外界温度能下降3 0 0 。c 。相反，用x 射线观察放置在卷烟内部的小微粒的金属的 熔化表明温度的最高点在卷烟的外围，为9 0 0 ；而且通过辐射方法测得的表面 温度显示抽吸时为8 5 0 9 2 04 c ，阴燃时为7 0 0 。c ，短暂的热点能高达1 2 0 0 。c 5 ”。 英美烟草公司的b a k e r 博士在前人的工作基础上，用一根很细的热电偶测量 气相温度，用红外传导纤维光学探针测量固相的温度，通过仔细地放置和重复的 测量，b a k e r 描绘出燃烧的卷烟在阴燃和抽吸时的温度的分布 2 ，5 ”。他发现抽吸 时靠近炭线前面的燃烧锥底部周围固相最高温度可达9 0 0 。c ，据推测，进入卷烟 的气流速度在此处最大。气相的最高温度可达8 5 0 以上，处于燃烧锥内部，大 致等于或略高于该处的固相温度。燃烧锥底部的气相温度则较低，在抽吸过程中 处于6 0 0 7 0 0 。c 之间，低于该处的固相温度。炭线附近气相温度为4 0 0 5 0 0 。c 。 炭线后部2n - i r a 处，气相温度己下降到2 0 0 。c 左右。炭线后气相温度急剧下降， 温度梯度很陡，炭线后1c m 处烟气温度下降到1 0 0 。c 以下，进入口腔的烟气温 度只有3 0 5 0 。c 。停止抽吸时，燃烧锥的固相温度和气相温度逐渐趋于一致，达 到热平衡状态。b a k e r 的研究解决了前人用不同的方法测出不同的最高温位置的 矛盾。 红外扫描技术的发展为测量卷烟燃烧时的外围温度提供了一个新的方法。 l a s z i o 等人首次用红外扫描仪测量了卷烟抽吸时表面的最高温度 5 8 , 5 9 ，l i u 进一 步扩展了这个工作研究了燃烧卷烟表面温度的分布和时间的关系咖l 。这种红外 测温方法特别适合于记录卷烟抽吸时快速改变和不均一的温度分布。 虽然从8 0 年代后，对燃烧卷烟的温度测量实验减少了，可能更加注重对燃 博士后研究工作报告 文献综述 烧状态的计算机模拟1 6 “，但是并不表明不需要在这个领域进行实验研究。因为 设计还是得有实验结果作依据和手段。 1 5 影响卷烟燃烧温度的因素 测量卷烟燃烧温度的方法建立以后，对卷烟燃烧温度的影响因素也得到了进 一步的研究，这些影响因素主要包括以下一些方面。 1 5 1 添加剂的影响 1 5 1 1 自由基引发剂和抑制剂 这一类添加剂可能会提高燃烧温度，但是在误差范围内，m i l l e r 添加此类添 加剂前后的燃烧温度没有显著提高，而且所得的均差太大，可能有问题5 5 l 。 1 5 1 2 有机盐 在m i l l e r 的研究中，分别在卷烟中添加了草酸镍、草酸钙、草酸镁、草酸铁、 草酸铅、草酸锡、甲酸镍、甲酸镁、甲酸铜、甲酸钴和酒石酸锶，发现除了草酸 镍和草酸亚锡，其它几种没有大的温度变化55 1 。最近几年，有机酸钾作为卷烟 添加剂的研究比较广泛。y a m a m o t o 在卷烟中加入不同浓度的苹果酸钾和硝酸钾 时，观察到卷烟燃烧温度有不同程度的降低f 6 2 l 。l i u 认为在卷烟中添加苹果酸钾、 柠檬酸钾和酒石酸钾后主流烟气中的c o 、尼古丁、水分和焦油等均有降低，而 且随着钾盐浓度的增加，其燃烧温度也下降，同时伴随着吸阻的增加。根据抽吸 后灰分的扫描电镜，以及部分灰分中的钾盐含量的质谱分析，作者认为可能钾盐 的熔融物能改变灰分的结构，使灰分粒子之间的键合更强，从而限制了空气的流 入 6 3 1 。 1 5 1 3 无机盐和其它化合物 m i l l e r 在对众多的无机盐进行研究后认为c a c 0 3 、n a 2 c 0 3 、n a c i 、n a i 、k b r 、 a g b r 、4 m g c o ；m g ( o h ) 2 h 2 0 等七种物质能降低温度5 5 1 。 博上后研究工作报告 文献综述 1 5 1 4 硼酸铅玻璃 硼酸铅玻璃虽然能降低燃烧温度，但是降温幅度也不大，而且燃烧过程中需 要加f e 2 0 3 助燃【5 5 】。 1 5 1 5 氧化剂 在对众多氧化剂进行研究以后，发现v 2 0 5 和k n 0 3 能比较明显地降低温度， 然而这些添加剂也相应地增加了氮化物，丙烯醛和相关的刺激物。而p m 公司 2 0 0 3 年的专利卷烟，利用一些金属氧化物把燃烧温度控制在6 0 0 7 0 0 。c ，并且大 大减少了有害成分。 1 5 1 6 火焰阻滞剂和耐火剂 这类添加剂在低浓度时对卷烟燃烧温度没有影响，高浓度时就把卷烟熄灭 了。 1 5 2 气氛的影响 m i l l e r 在1 0 0 氧气气氛中和在空气气氛中分别进行了卷烟燃烧温度的测 试，结果发现氧气气氛中的卷烟燃烧温度比空气气氛中要高1 0 0 。c 。 1 5 3 湿度的影响 当把湿度从1 3 1 下降到4 9 时，温度下降了8 56 c t 5 列。 1 6 展望 国际著名大公司，如p m 、r j r 、b a t 等，早已把卷烟燃烧温度的测量作为 日常测试指标。2 0 0 2 年，b a t 有关助燃荆文章中，燃烧温度是很重要的依据之 一：据j t 公司提供的交流材料，它把上百种烟叶原料的燃烧温度与常规化学指 标列在一起，可见仃的燃烧温度测试也已经是日常测试指标。但是这种温度测 试系统也只是在这几个大公司里有，并且都是他们自主研发的，还没有进行商品 化。 7 博士后研究工作报告文献综述 国内目前在卷烟燃烧温度测试领域的研究还是空白。并且对于烟草行业降焦 降害战略的实施来看，燃烧温度应该是一个不可缺少的重要指标。因此非常有 必要开发这个温度测试系统，并对卷烟燃烧温度的动态测量与调控技术开展相应 的研究。 博士后研究工作报告 卷烟燃烧温度测量设备的组建 第二章卷烟燃烧温度测量设备的组建 本章介绍了自行开发的卷烟燃烧锥气相测温系统和组建的燃烧锥外围固相 测温系统。 2 1 气相温度的测量 所需的仪器及部件：吸烟机，数据采集器，热电偶，石英玻璃毛细管，支撑 探针的支架。从目前各个厂商的调查中，测温能接近1 0 0 0 c 的直径小于0 1m m 的符合我们要求的测温热电偶还没有成品出售。因此热电偶是由我们自己和加工 厂家设计开发的。 2 1 1 微型快速测温热电偶的开发 2 1 1 1 热电偶丝型号的选择 虽然r 型( 含铑1 3 的铂铑合金铂) 、s 型( 含铑1 0 的铂铑合金铂) 、k 型( 含铬1 0 的镍铬合金含镍5 的铝、硅合金) 的热电偶丝都能测温到1 0 0 0 ，但是k 型热电偶丝不适宜在氧化还原交替进行的气氛中、以及含c 、s 的气 氛中使用，而r 型比s 型更加稳定，因此我们选择r 型。 2 1 1 2 热电偶丝直径的选择 热电偶丝的直径越细，相应的热容越小，就会使其对温度的响应越快，但是 太细厂家加工上有困难，且丝材会比较容易断。我们就把尺寸规格初步定为0 0 5 m m ，并取部分0 0 7 姗尺寸的作为对比。 又因为热电偶的焊接点一般是由另外的金属组成的，而燃烧卷烟内的气相温 度分布差异很大，为了尽量避免测量端温度的不一致，焊接点应该越小越好。 2 1 1 3 热电偶测气相温度的原理 虽然热电偶在测量卷烟内部的气相温度分布时，很有可能会和烟丝相接触， 博士后研究工作报告卷烟燃烧温度测量设备的组建 但是由于卷烟燃烧锥的空间温度分布很不规则，而且很短的抽吸时间和很高的气 体流速，又使得温度分布的变化很快。如此细的热电偶的测温端即使和烟丝相接 触，其接触部位也是很小的，因为金属很高的热容和很快的热传导性，这么小部 分的烟丝产生的热量完全不足以加热热电偶以使两者的温度达到平衡。因此热电 偶主要和高速流动的气相进行热对流，从而获得温度的数值。这就使得所测到的 温度主要是气相的温度，而固相对其的影响最大也就是5 左右。 2 1 1 4 微型快速测温热电偶的结构 图2 1 是自制的热电偶测温端的简单示意图。如图所示，石英玻璃套管2 里 面有一根铂( p t ) 丝l ，外面有一根铂铑合金( p t 1 3 r h ) 丝4 与铂丝l 的一端 焊接在一起，焊接点3 位于套管2 的头部，铂铑合金丝4 沿套管2 的外表面延伸 至套管2 的尾部，并由套管2 的尾部夹持固定。铂丝1 和铂铑合金丝4 在套管2 的尾部都有引出端，作为测量电极。此热电偶的性能指标见表2 1 和图2 2 。 4 图2 1 微型快速测温热电偶的测温部分 ( 1p t 丝：2 石英玻璃毛细管：3p t 和p t 一1 3 r h 丝的焊接点：4p t 一1 3 r h 丝) f i g u r e2 1t h es t r u c t u r eo ft h es u b m i n i a t u r ea n dr a p i dr e s p o n s et h e r m o c o u p l e ( 1p t w i r e ；2q u a r t z p r o b e ；3 t h e j u n c t i o no f p t w i r ea n d p t 一1 3 r h w i r e ；4 p t - 1 3 r h w i r e ) 套管2 的外径为0 3h u n ，内径为o 1m i l l 。在热电偶的设计中采用毛细分隔 套管，这样既可以克服如此细的热电偶丝因为太软插不到卷烟里面的问题，也使 两热电偶丝直接进行绝缘，就不用再涂绝缘材料了。毛细管没有插入卷烟部分的 聚酰胺涂层能增加管的柔韧性，克服其太脆、易碎的缺点。而毛细分隔管的材料 用石英玻璃，是因为石英玻璃的强度大，耐高温，且性能稳定，不易氧化。 o 博士后研究工作报告 卷烟燃烧温度测量设备的组建 2 i 1 5 微型快速测温热电偶的性能指标 此热电偶分别对锌、铝、铜熔化时的温度点进行了测量，测温精度如下 表2 i 对锌、铝、铜熔化时的温度点的测温精度 t a b l e2 1t h ep r e c i s i o no f t h et h e r m o c o u p l e 可见此热电偶的精度很好，完全符合我们测温的需要。 同样把此热电偶在室温状态下迅速插入一1 2 0 0 。c 的热源时，根据数据记录仪 ( 日本横河d x 2 0 8 3 3 ) 记录到的这个升温过程的斜率得到其灵敏度为3 1 。c m s ( 见图2 2 ) ，说明其响应灵敏度能用来测量卷烟内部快速变化的温度。而0 0 7 m 直径的热电偶精度也差不多，但是灵敏度却相对小一些( 约为2 6 m s ) 。 t i m e ( s ) 图2 2 热电偶的灵敏度 f i g u r e2 2t h er e s p o n s ev e l o c i t yt ot e m p e r a t u r e 4 啪 蝴 啪 栅 瑚 (-p|)dij_瞄io盆_il卜 博士后研究工作报告卷硝燃烧温度测量设备的组建 2 1 2 热电偶和卷烟的挟持固定装置 为了能够固定上述的卷烟测温探头，同时能够方便地调节探测位置和插入的 深度，就需要一种专门的夹持装置来辅助完成测温过程。 图2 3 挟持器的装置图 ( 1 主支架，1 1 紧定螺钉，1 2t 型缺口，1 3 弧形槽；2 滑轨，2 l 通孔：3 固定板；4 端盖 4 1 圆孔) f i g u r e2 3t h es t r u c t u r eo f t h ef i x t u r e 如图2 3 所示的夹持装置由主支架l 、滑轨2 、固定板3 和端盖4 构成。主 支架1 的后端成圆筒形，可直接套在吸烟机挟持器的外圆周上，为了便于拆装， 该圆筒可由两块半圆瓦组合而成，以螺钉或卡扣等方式连接，滑轨2 可滑动地安 放在主支架l 的t 形缺口1 2 中，便于调节测温探头的插入位置。测温前，卷烟 博士后研究工作报告卷烟燃烧温度测量设备的组建 央在吸烟机的挟持器中，将端盖4 扣在主支架1 前端的弧形槽1 3 中，卷烟的头 部从端盖4 的圆孔4 l 中穿出，此圆孔用于固定卷烟的前端，使得卷烟的两端都 得到支撑，保持水平状态，便于测温探头的插入。调整好滑轨2 的位置后，就可 将测温探头从滑轨2 上的通孔2 l 中穿过，垂直地插入待测卷烟中。滑轨2 的位 置可由主支架1 侧面的紧定螺钉1 l 来固定。固定板3 也固定在吸烟机上，其上 有一些圆孔，用来夹持测温探头尾部的导线，固定板3 侧面的紧定螺钉可锁紧导 线，避免导线在孔中自由晃动损伤测温探头。 上述装置连接好后，就可以点燃卷烟( 点燃卷烟前，可以先将端盖4 取下) ， 由测温探头来测量卷烟内部的温度了。 2 2 固相温度的测量 由于阴燃时的气固两相已经达到平衡，因此阴燃时的固相温度我们就可以用 热电偶所测得的数据代替。而抽吸时，气相温度的最高点位于卷烟燃烧区的中心， 固相温度的最高点位于卷烟燃烧区的边缘，因此很有必要对卷烟燃烧区的边缘进 行动态温度的测试和调控。由于前面所提到的固相的热传导很慢，热散发量又很 小，因此不能用热电偶去测量。而红外扫描技术的发展为观察卷烟的固相燃烧温 度，捕捉温度最高点提供了比较大的方便 5 8 5 9 】，但是早期的红外扫描仪分辨率 比较低，记录速度慢，对于观察卷烟抽吸时的动态温度变化还是有些不足。近些 年，红外热像仪的发展，弥补了上面的缺点 。红外热像仪基于其有很好的热 灵敏度、空间分辨率，很快的响应时间，正能够符合我们的要求。而且气体的红 外是可以忽略的，这使得所得的结果具有很高的准确率。 2 2 1 红外测温系统的组成 t h e r m ac a ms c 3 0 0 0 ( f l i r ，美国) 的红外探测器是g a a s 制冷型，最高测温 范围可以达到1 5 0 0 c ，像素为3 2 0x2 4 0 ，精确度为1 2 。c 。 由于我们实验中需要摄像的对象是燃烧的卷烟，目标物比较小，因此需加一 特写镜头( 视场角为3 4 m mx2 5 m m 1 1 0 m m ) 才能很清楚地拍出我们所需的 博士后研究工作报告卷烟燃烧温度测量设备的组建 图像，并且使图像质量、分辨率和灵敏度不会损失。 卷烟的燃烧是个很快速的过程，于是又配备了每秒钟能纪录5 0 多幅红外热 图以及数据的高速纪录系统。 2 2 2 热像仪一些具体参数的测试 此红外热像仪的精确度已经在厂家做过校正，但是由于测动态燃烧，因而它 对温度响应时间的大小比较重要。红外热像仪的非接触式测温，也使得它在测温 之前必须先调焦，因而它的焦距深度的大小也很重要。我们用了0 0 5t o n i 的一根 铂丝缠在卷烟自动点火器上，测量不同情况下热像仪所示铂丝温度的大小来计算 它的响应时间和焦距深度。 2 2 2 1 热像仪对温度的响应时间 0 0 20 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 201 40 1 6 t i m e ( s ) 图2 4s c 3 0 0 0 热像仪系统的响应时间 f i g u r e 2 4 t h er e s p o n s e t i m eo f t h es c 3 0 0 0s y s t e m t o t e m p e r a t u r e 先用一块挡板横在已经加热的铂丝和热像仪之间，热像仪开始记录，然后以 很快的速度抽掉挡板，观察热像仪所示温度的变化。如图2 4 所示，低温平台 ( 2 3 1 1 ) 是此热像仪的检测下限，而高温平台是铂丝的温度。虽然图中所示 瑚 姗 伽 蜘 枷 一p一2童垂。c【go 博士后研究工作报告栏姻燃烧温度测量设各的组建 热像仪需o 0 2 秒达到高温平台，但是这是受了记录速度的限制( 每o 0 2 秒采集、 记录一次) ，可见此热像仪的响应时间是小于0 0 2 秒的。 2 2 2 2 热像仪的焦距深度 焦距深度决定着聚焦镜头在对焦后，可以正常移动的距离。这个能力在热交 换发生时特别有用，例如卷烟的抽吸。图2 5 是所测到的p t 丝的温度和其偏离正 常聚焦距离( 为o 1 m ) 的位移的关系。由于周边空气流的轻微影响，使得温度 有一些波动，所以图中的每一个数据点是经3 0 s 的数据采集平均。从图中可见， 我们所用的红外热像系统聚焦深度约为2r a i n 左右。 0 12 d i s t a n c e ( m m ) 图2 5 检测到的温度和偏离正常聚焦位置的位移的关系 f i g u r e2 5at e m p e r a t u r ev s d i s t a n c ep r o f i l ew a s u s e dt od e t e r m i n et h ef o c a ld e p t ho f t b ei n f r a r e d c a r u e r a 2 2 3 卷烟燃烧锥红外发射率的校正 以前的文献中所报道的卷烟燃烧锥的红外发射率为0 9 2 一o 9 8 1 5 引，但是由于 我们使用的s c 3 0 0 0 的敏感波长为8 - 9 胛，不同于以前的红外扫描仪( 2 4 删) ， 因此需要对发射率进行矫正。利用卷烟阴燃时气、固相温度保持平衡一采用自制 瑚 啪 啪 鲫 姗 渤 伽 一p1)。jn苗bcl暑oh 博士后研究工作报告 卷炯燃烧温度测量设备的组建 的微小测温热电偶装置测出气相的温度作为红外热像仪所测到的某一小范围温 度平均值的参考值来推算发射率。 根据斯蒂芬一波尔兹曼定律，灰体的辐射强度公式为： m z = e 盯t b 4 = 盯t 9 4 ( 瓦厘米2 ) ( 1 ) 式中o 是斯蒂芬一波尔兹曼常数：是发射率，描述在特定温度下物体的辐射强 度和黑体辐射强度的比值。通常随波长和温度而变化，用热像仪获得的e 值是 热像仪探测器敏感的红外波段内e x 的平均值。 图2 6 a 是和热电偶相接触点的燃烧锥燃烧过程的气相温度变化曲线，阴燃 时的温度基本保持不变，而抽吸时温度急剧升高，抽吸快结束时温度重新回落。 因此我们选取了1 0 ：1 4 ：2 7 这个时刻，此时为阴燃状态，气、固两相达到平衡，可 以认为每一点的气相温度和固相温度相等。从图中可知，此时气相温度为6 0 9 _ 3 ，即t b 为6 0 9 _ 3 ；而从图2 6 b 的红外热图上找到卷烟和热电偶所接触的点， 读出此点周围小范围内的平均值t 。为5 8 1 3 ( 此时e 值设为1 ，为热像仪测得 的等效黑体温度) 。把t b 和t 。代入公式( 1 ) ，可得e 值为0 8 8 。 a ) 7 0 0 6 5 0 6 0 0 1 0 ：1 4 ：2 2 1 1 0 ：1 4 ：2 7 _ 1 0 ：1 4 ：3 2 。 t i m e ( h ：m ：s ) b 1 图2 6 热电偶所接触点的卷烟气相燃烧温度变化曲线( a ) ；1 0 ：1 4 ：2 7 时对应的红外热图( b ) ( 其中1 为卷烟的红外图，2 为热电偶) f i g u r e2 6g a s - p h a s et e m p e r a t u r ec u r v e ，w i t ht h e r m o c o u p l eo ns u r f a c eo ft h eb u r n i n gc o a l ( a ) i n f r a r e dt h e r m a li m a g ea tt h et i m eo f1 0 ：1 4 ：2 7 ( b ) w h e r et h en u m b e r 1 d e n o t e sb u m i n gc i g a r e t t e 2 d e n o t e st h et h e r m o c o u p l e 如此类推，我们对三种单料烟在五次不同阴燃时期的发利率进行了测定并 博士后研究工作报告 卷烟燃烧温度测量设各的组建 取其平均。测试结果如表2 2 ： 表2 2 三种单料烟的红外发射率 t a b l e2 2e m i s s i v i t yo f 3t y p e so f c i g a r e t t e 从表2 可以看出，这三种类型单料烟抽吸时燃烧锥发射率的测量结果在 o 8 3 0 9 3 之间，而且平均值为o 8 7 0 8 8 ，彼此之间无明显差异。于是我们决定 在实验中对各种卷烟测温时，发射率取相同的值o 8 7 。 本章小结： 自行研发了卷烟的气相测温系统和组建了红外固相测温系统。气相测温系统 主要由超细测温热电偶和支撑的支架构成，超细测温热电偶精度小于2 ，从 室温升到1 2 0 0 。c 时，其灵敏度至少为3 1 * c m s ，完全可以用来测量卷烟内部快 速变化的气相温度。而由红外热像仪t h e r m a c & ls c 3 0 0 0 、特写镜头和高速记录 系统组建的固相测温系统，可以每秒钟记录5 0 幅红外热图，对于观察卷烟燃烧 外围的温度提供了一个很好的方法。 博士后研究工作报告 卷烟燃烧时的温度分布 第三章卷烟燃烧时的温度分布 测温设备组建好后，我们对卷烟燃烧锥内部气相温度和外围的固相温度分布 进行- f n 量和描绘。 3 1 燃烧锥内部气相温度的分布 3 1 1 材料和方法 3 1 1 i 主要仪器和样品 仪器设备： 自制的快速微型测温热电偶( o 0 5m m ) ，数据记录仪( 日本横河d x 2 0 8 3 3 ) ， s m 4 0 02 0 烟道吸烟机( f i l t r o n ，英国) 。 样品及其处理： 商品卷烟，做实验前先进行分选，取单支重量范围：9 6 9 9 8 9 m g ，吸阻范围： 1 1 2 7 1 2 2 5p a ，并在温度2 2 1 ，湿度6 0 2 条件下平衡2 天。 3 1 1 2 烟支的抽吸条件 按照国标，抽吸容量：3 5c m 3 、每1 5 抽吸时间为2 s 、每分钟抽吸一口。 3 1 1 3 测卷烟温度方法的探讨 通过观察发现第三口抽吸开始时，卷烟燃烧线距离烟支头端为1 24 - 1m m 。 于是先在距离烟支头端1 2r l l l t l 处做一个标记，距离这个标记的不同位置、不同 深度插入热电偶。并用手动点烟的方式调整卷烟阴燃的时间，使其刚好到标记线 时开始第三口抽吸。而由于实验过程中发现第三、四、五口抽吸时最高温比较相 似，都在8 7 0 。c 左右，我们也就选择第三口的抽吸和阴燃进行温度分布的测量。 3 1 2 结果和分析 博士后研究工作报告 卷烟燃烧时的温度分布 3 1 2 1 卷烟燃烧温度结果的计算和温度分布图形的绘制 热电偶所测到的温度数据由数据记录仪获得，从中找出卷烟抽吸以及阴燃时 各个时刻、不同位置温度的数值，对每个点进行5 次重复实验，取其平均值，建 立相应的矩阵，均差最大达到士2 。这主要是由于烟支内部填充空隙会存在较大 的差异，以及做实验时，插入热电偶的深度和位置会有一些微小的变化，由于卷 烟燃烧锥的空间温度分布很不规则，如此小的位置变化就会导致温度的数值有比 较大的差异。而且调整阴燃时间时，也会有观测误差的存在。 在对卷烟燃烧过程中的温度分布进行绘制时，由于抽吸时燃烧线是有后移 的，因此我们不能以原先的标记线就定为燃烧线。图3 1 是抽吸过程中燃烧线后 移的情况和轴心上燃烧线处温度的变化。可见抽吸时，温度急剧升高，燃烧线后 移的平均速率约为1 2m m s 。 而抽吸结束后1 5 s 内，燃烧线几乎没有移动，因此我们在接下来的绘图过程 中，就按照表3 1 进行真实燃烧线的校正。然后对校正过的真实的燃烧线定为横 轴的0 点进行等温线的绘制。 萝 罾 善 器 拿 占 d i s t a n c ei nf r o n to fl i n eo f p a p e rb u m ( m m ) 00 6 1 2 1 8 2 7 4 6 5 0 6 0 0 5 5 0 5 0 0 0 0 0 51 0l ，52 02 53 0 t i m ef r o ms t a r to f p u f f 图3 1 抽吸过程中燃烧线后移的情况和轴心上燃烧线处温度的变化 f i g u r e3 1t e m p e r a t u r ep r o f i l e sd u r i n ga2s e ep u f f , w i t ht e m p e r a t u r es e n s o ro nc e n t r a la x i so f c i g a r e t t e ，a n dp o s i t i o n e da tt h el i n eo f p a p e rb u m a tt h es t a r l ? o f t h ep