低温卷烟加热器强化传热研究

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加热不燃烧型卷烟(也称为低温卷烟)是一种低害的新型卷烟制品,主要有电加热和燃料加热两种加热方式。目前常用的低温卷烟加热器采用电加热方式,存在加热时间长、换热效率低等问题。本文对课题组前期开发的一种基于燃烧的低温卷烟加热器进行强化传热研究,将燃烧产生的烟气假设为高温空气,借助FLUENT软件平台对卷烟升温速率和加热器换热效率进行系统分析,并通过实验测试验证了所设计的强化传热结构的有效性。首先,通过数值模拟对比研究了有/无肋片的底面加热方式的传热特性。结果表明,底面有肋片时,卷烟的升温速度比无肋片时明显加快。然而,底面有肋片的加热器的最高换热效率也不超过30%,而且随着加热时间的增加,加热器的换热效率还会逐渐降低。分析表明,这主要是由于高温空气与加热器的换热面积(即底面面积)较小导致的。考虑到加热器的侧面积是其底面积的9.4倍,因此提出了侧面加热和底面/侧面混合加热两种新的方式,并对比了有、无肋片情况下的传热性能。结果表明,当这两种加热方式的换热面上添加肋片时,卷烟升温速度明显加快,加热器的换热效率也显著提高。具体来说,侧面加热和混合加热方式对应的最高效率分别高达69%和71%。另外,对于侧面加热方式来说,随着肋片高度的增加,卷烟最高温度的上升速度先减小后增大,而加热器的换热效率先增大后减小。因此,存在一个优化的肋片高度范围。基于以上数值模拟结果,设计加工了一个加热器,并利用丁烷火焰作为热源对低温卷烟进行了加热实验。测试结果表明,在所给定的实验条件下,测试获得的升温曲线与数值模拟结果趋势一致,且加热效率的误差小于1%,证明本研究对于低温卷烟加热器的优化设计具有指导意义。
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