郭健钰　王小伍

（1.广州市执信中学，广东 广州 510640；2.华南理工大学，广东 广州 510640）

电子烟雾化室的传热性能

郭健钰1王小伍2

（1.广州市执信中学，广东 广州 510640；2.华南理工大学，广东 广州 510640）

目前对电子烟的关键部件-雾化室的工作性能研究较少。为了找出消费者所反映的问题关键，采用FLUENT流体计算软件模拟了电子烟雾化室的温度、相比例等参数与时间的关系：当时间t=30s时，雾化气体出口面面积加权温度达到了333.74K。减小电阻丝单位面积功率或者硅胶热传导系数，均可使得气体通道区域液相体积比减少。电阻丝功率为5.6×106W. m-2时，雾化气体出口面面积加权温度为329.54K，当硅胶热传导系数由0.35J.K-1.m-1减小到0.20J.K-1.m-1时，雾化气体出口面面积加权温度为333.70K。

电子烟；雾化器；传热传质

1　引言

电子烟（见图1）靠电池提供的电力工作，吸烟者吸气时，压力传感器就会打开电阻丝开关加热，烟弹中丙二醇、丙三醇被蒸发，将烟弹中含有的烟碱液雾化成蒸汽，使人产生吸烟的感觉。目前对电子烟的文献报道集中在电子烟的健康性能、添加剂配方以及社会认可度方向［1-3］。国内外不少专利则解决了一些技术问题，JOURNO M S［4］等设计了支撑电子烟的设备，HU Y［5］发明了新型电子开关设备，LI S［6］等提出改善烟碱液的颗粒分布的方法。然而消费者反映的电子烟质量问题主要集中在：（1）在多次使用后，烟雾有异味，刺激喉咙；（2）吸食多口后，烟雾温度过高，有烫嘴的感觉。这些问题均与电子烟雾化室质量有关，雾化室的工作性能决定电子烟质量高低。

图1　电子烟结构

目前的雾化技术主要有气动雾化、超声雾化、热雾化等［7］，但没有看到对电子烟的雾化技术的研究。周世萍［8］等人研究了超声雾化进样系统在电感耦合等离子体原子发射光谱中的应用。郭玉生［9］设计了水冷式加热雾化室。花军［10］等根据气泡雾化理论，对不同气液比豆胶与空气在气泡雾化喷嘴内部的流动情况进行了数值模拟。陈曦［11］等对新型振动式网孔雾化器进行了有限元的仿真分析。陈世柱［12］深入地分析了旋涡环缝式雾化器的工作特征。

本文通过实验，获得烟碱的热物性数据，建立雾化室工作的理论模型，并利用FLUENT进行数值模拟，研究雾化室雾化性能，找到影响雾化室工作质量的关键因素。

2　材料与方法

2.1材料和仪器

（1）试剂。电子烟烟碱液（尼古丁质量含量1%）。

（2）仪器。差示扫描量热仪（DSC，德国NETZSCH公司），热传导系数仪Hot Disc（瑞士进口TPS 2500）。

2.2方法

（1）DSC测量烟碱液的热容。升温速率2K.mim-1，每过5min采集一次数据，参比材料AL2O3，精确度10%。

（2）Hot Disc测量烟碱液热传导系数。测量准确度3%。

2.3数值计算模型

雾化室工作模型见图2，锂电池型号为3.7V/650mAh。利用GAMBIT软件建立网格，FLUENT软件进行模拟计算。“SOLER”选项组中选择-“pressure-based”、“unsteady”、“implicit”，“phase”选择“MIXTURE”/“condensation-evaporation”模型，设置物相为三相。边界条件中设置烟气出口为PRESSUREOUTLET，外壁面为WALL，与外界空气自由换热，设置硅胶、玻纤气体通道、壁面、电极绝缘区域等区域交界面为INTERFACE型。浸泡烟碱液的E棉区域设置为孔隙率为90%的多孔材料区。

图2　雾化室工作模型

3　结果与讨论

图3为烟碱液热容随温度的变化曲线，从图3中可以看出烟碱液在气化前后的热容大致呈线性变化，相变温度大约在108oC左右。

图3　热容随温度的变化情况

图4为烟碱液热传导系数随温度的变化情况，从图4中同样可以看出相变温度大约在107oC左右，与热容实验得出的相变温度基本吻合。相变之前，热传导系数随温度变大，相变后随温度减小。

图4　热传导系数随温度的变化情况

消费者每次使用电子烟时的吸食次数为15次左右，按每次吸食对雾化室加热的时间为2s计，加热时间为30s相应的吸食次数即15次。图5为通过fluent后期处理得到t=30s时刻、y=0平面的温度分布图和气相体积比。

图5　不同时刻的温度分布和气相体积比

从图5（a）中可以看出，当t=30s时，加热面附近区域的温度已经上升到160oC左右，两端的硅胶区域和电极绝缘区温度也上升到56oC左右。从图5 （b）中可以看出，当t=30s时，液相在玻纤气体通道内的比例不为零，吸食者有可能吸入液态烟碱液，这也是吸食者觉察烟气有异味的原因之一。

表1为由FLUENT计算得到的不同时刻出口平面的雾化气体面积加权温度。

从表1中可以看出，在t＜20s时，雾化气体出口平面加权温度上升较快，在t＞20s后，加权温度上升速度减缓。t=20s时，雾化气体的温度已经上升到323.604K（与某电子烟生产厂家提供的实验数据51oC接近），这时若继续吸食，雾化气体在出口处的加权温度还继续上升，吸食者将感觉烟气烫嘴。

选择热传导系数较低的硅胶，可以改变雾化室工作性能。图6为硅胶的热传导系数由0.35J.k-1.m-1下降到0.2J.k-1.m-1时，模拟得到的雾化气体在t=30s、y=0平面的温度分布图。对比图6和图5（a），两图显示的整体温度相差不大，硅胶热传导系数为0.20J.k-1.m-1时，Fluent计算的出口处加权温度也仅降低了0.04K，但液相在气体通道区域的体积加权百分比为6.675%，减少了13%。

表1　出口平面的雾化气体面积加权温度

适度降低电池功率，从而减小电阻丝温度，烟气出口温度也可以降低，但气化性能将有少许变化。当电池功率降低15%（电阻丝单位面积加热功率为5.6×106W.m-2），t=30s时，雾化气体出口处的面积加权温度为329.54K。表2给出电阻丝单位面积加热功率为6.6×106W.m-2和5.6×106W.m-2时，雾化气体的质量流量和相比例。从表2可以看出，电阻丝加热功率为5.6×106W.m-2时，后期的气体通道区域液相体积比减少，减小了吸食者吸入液体烟碱的可能性，多孔区域气体比例降低，更有利于烟碱液的流动，但出口面气体质量流量也减少，不利于消费者吸食口感。

表2　雾化气体的质量流量速度和气液体积比

4　结论

采用FLUENT流体计算软件模拟了电子烟雾化室的温度、相比例等参数与时间的关系：当时间t=30s时，雾化气体出口面面积加权温度达到了333.74K。减小加热电阻丝功率或者硅胶热传导系数，均可使得气体通道区域液相体积比减少。电阻丝单位面积加热功率为5.6×106W.m-2时，雾化气体出口面面积加权温度为329.54K，当硅胶热传导系数由0.35J.K-1.m-1减小到0.20J.K-1.m-1时，雾化气体出口面面积加权温度为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

华南理工大学学生研究项目“界面性质对雾化的影响”（X21XD2134650）。

郭健钰（1999-），男，广东兴宁人，广州市执信中学学生，从事传热传质实验研究和理论分析；王小伍（1972-），女，湖南邵阳人，华南理工大学教授，研究方向为微尺度传热传质的热力学分析。