直线式吸烟机罩内风速控制系统的改进与应用研究

严莉红，赵战辉，赵航，王巍巍，张铁锋，何爱军，李彦辉，周骏

1上海烟草集团技术中心北京工作站，北京市通州区万盛南街99号 101121;

2北京欧美利华科技有限公司，北京经济技术开发区中和街14号B座 100176;

3中国烟草标准化研究中心，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

烟草设备与仪器

直线式吸烟机罩内风速控制系统的改进与应用研究

严莉红1，赵战辉2，赵航3，王巍巍1，张铁锋2，何爱军1，李彦辉2，周骏1

1上海烟草集团技术中心北京工作站，北京市通州区万盛南街99号 101121;

2北京欧美利华科技有限公司，北京经济技术开发区中和街14号B座 100176;

3中国烟草标准化研究中心，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

利用 flow-simulation软件建立（20+1）孔道直线式吸烟机上的罩内风速模型，基于该模型，认为烟支在燃烧过程中，燃烧起始位置和结束位置间具有较大的气流速度差，可能显著影响烟气捕集结果。为消除这一影响，使吸烟机罩内气流速度达到均匀稳定，本文改进了吸烟机排风装置并在吸烟机的防护罩下端加装整流网。实验结果表明，改造后，当固定位置风速设定200 mm/s时，燃烧起始和结束位置平均风速差由93.0 mm/s降至20.7 mm/s；CM7卷烟烟气常规分析各指标项测定值在组间和孔道间的变异系数显著低于改造前，说明改造后吸烟机捕集主流烟气常规化学成分的均匀性和稳定性得到了提高；CM7卷烟烟气常规分析各指标项测定值明显低于目前使用的常规分析用吸烟机测得的结果，两者之间具有显著性差异。

直线式吸烟机；气流速度；风速模型；风速差；烟气捕集

吸烟机的罩内风速及稳定性极大地影响烟支燃烧过程，进而直接影响焦油及化学成分的测试结果[1]。目前国内外均采用依据ISO 3308—2012国际标准中的技术参数设计的模拟人抽吸卷烟过程的吸烟机对卷烟烟气气相物及粒相物进行捕集。现有吸烟机类型包括直线型和转盘式两大类。但从外形及设计原理上两类吸烟机有根本上的不同。转盘式吸烟机，整个抽吸过程是封闭式，通道共用一个抽吸单元，共用一个捕集器。而直线型吸烟机，整个抽吸过程是部分敞开的、半自动的，每一抽吸通道都是一个独立的抽吸单元。因此直线型吸烟机进行抽吸时，燃烧烟支周围的气流与外界的交流相对频繁，受外界温湿度、气流波动的影响比较大，测试结果的离散程度较大。试验证明，两种机型在烟气常规成分释放量方面存在一定的差异性[2-4]。影响吸烟机检测结果差异产生的主要因素有罩内气流速度、环境温湿度、抽吸容量、抽吸间隔等[5]。气流速度是影响吸烟机捕集烟气结果的主要影响因素。气流速度过快则导致整个吸烟过程中烟支阴燃速度加快，吸烟口数减少，烟气常规成分释放量偏低，气流速度慢则反之。吸烟机气流速度与烟气分析结果( 焦油量、CO ) 有显著的负相关关系[6]。又由于卷烟焦油的产生与吸烟的频率、长度有一定的关系。单位时间内抽吸口数越多，焦油的生成量就越多。当点燃处越接近末端时，生成的焦油几乎大部分都被捕集，一支卷烟的前半截与后半截生成的焦油量之比约为1∶1.4[7]，风速的变化在最后几口抽吸过程中对结果的影响也更加显著。目前直线型吸烟机采用普通风机和球形阀和风门来调节吸烟时的整体罩内气流速度，但在吸烟过程中环境因素对气流速度影响很大，而且影响气流速度的因素还有风场不稳性和不均匀性[8]。

因此，本文通过建立罩内风速模型，模拟正常吸烟状态下气流速度变化，找出风速变化的影响因素及规律，并进一步改造直线型吸烟机影响气流速度的调节风机，增加整流网及层流芯以期最大限度减少环境因素及风场不稳性和风场不均匀性导致的风速变化，保证烟气测定结果的稳定性。

1 设备、材料与方法

1.1 设备与材料

欧美利华直线型（20+1）孔道吸烟机(欧美利华科技有限公司，北京）；ThermoAir3 风速仪（舒耐克特(Schiltknecht)公司，瑞士）；HF调速风机（鸿冠公司，中国）；定制多层金属整流丝网（欧美利华科技有限公司，北京）；定制单向层流蜂窝芯（欧美利华科技有限公司，北京）；分析天平（梅特勒托利多公司，瑞士）；恒温恒湿箱（MMM公司，德国）；HP7890气相色谱仪（安捷伦科技有限公司，美国）；CORESTA监控烟CM7（Routine Analytical Chemistry Sub-Group,美国）。

1.2 研究方法

1.2.1 吸烟机风速模型的建立

按照GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》要求[9]，室内风速在200-300mm/s范围波动。ISO 3308—2012标准对风速的测量仅仅规定了固定点的测量，对燃烧过程中的风速没有明确规定[10]。现有直线型和转盘式吸烟机风速的测量都采用了烟支轴向位置上的固定点，但无法控制烟支在整个燃烧过程中风速的一致性。因此，为了解风速在烟支整个燃烧过程中的变化趋势，应用 flow-simulation流体力学软件，在（20+1）孔道吸烟机上建立风速模型，模拟正常吸烟时烟支燃烧过程中气流速度的变化趋势，并形成模拟图。

1.2.2 吸烟机风速的模拟结果验证

为了验证模拟结果，对现有吸烟机风速测量装置进行了改装，将原来的固定位置更改为前后可调节装置，通过调整风速仪的插入深度，测量烟支燃烧过程中前后多点风速。

1.2.3 吸烟机风速均匀性及稳定性的控制方法改进

首先改进吸烟机烟道位置的调速风机，此调速风机的优势是调节风速简单、方便，可直接将烟支燃烧产生的烟气排出室外。调速风机可通过调节外部风速控制旋钮，直接改变风机排风量，从而调整风道内的风速。

在吸烟机防风罩下的进空气端，增设整流网9，外部的新鲜空气将通过调速风机经整流网9均匀地流入烟支的燃烧段。整流网的作用是将卷烟在燃烧过程中受外界干扰的空气流速和空气流向经整流网整流成层流状态并将调速风机1抽吸带来的气流扰动整流，保证各个孔道间的风速均匀一致。在吸烟机烟支燃烧的上端加装层流芯5，层流芯的作用是将调速风机1开启后产生的气流均匀地分成多个等速气流，确保缓冲区3的气流出口风速一致。在吸烟机调速风机的进口端加装多路歧管2，将调速风机1产生的气流均匀地分成多个等速气流，保证缓冲区3内的气流均匀地被抽出。这样，当调速风机1开启时，吸烟机防风罩下端的室内环境空气，经整流网9均匀地流入烟支的燃烧段，使卷烟7得到充分燃烧；卷烟燃烧产生的烟气穿过单向层流芯5后，经调节板4收窄（避免了缓冲区3内产生的紊流气体回流）。气流在缓冲区3内混合均匀，并通过多路歧管2被调速风机抽出，抽出后的烟气沿着宽度200mm的风道被排出室外。（见图1）

图1 改进后的直线式吸烟机气流控制系统Fig.1 Improved air-flow control system of linear smoking machin e

1.2.4 吸烟机改造前、后烟气测定结果的差异比较

按照 GB/T 16447—2004 烟草和烟草制品 调节和测试的大气环境规定的条件调节样品,在 GB/T 16450—2004常规分析用吸烟机定义和标准条件规定的条件下，采用 ISO4387— 2000卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油、GB/T 23356—2009卷烟烟气气相中一氧化碳的测定非散射红外法、GB/T 23355—2009卷烟 总粒相物中烟碱的测定 气相色谱法和GB/T 23203.1—2008卷烟 总粒相物中水分的测定气相色谱法进行抽吸卷烟和测定烟气指标。改造前样品，按ISO条件下，每通道抽吸5支卷烟，每个测试项目进行4个通道平行试验，进行5组实验。改造后样品，按ISO条件下，每通道抽吸5支卷烟， 20个通道平行试验，进行4组实验。实验采用CORESTA监控烟CM7。

2 结果与讨论

2.1 吸烟机风速模型的建立

应用 flow-simulation流体力学软件，在直线式（20+1）孔道吸烟机上建立风速模型，模拟正常吸烟时烟支燃烧过程中气流速度的变化形态，并形成模拟图（见图2）。

图2 现有直线式（20+1）孔道直线型吸烟机风场风速模拟图Fig.2 Simulation diagram of air-flow field and air-flow speed for the original (20+1) channel linear smoking machine

按照ISO 3308—2012标准，卷烟燃烧时，燃烧点附近风速应控制在（200±30） mm/s。而根据现有吸烟机在 flow-simulation软件中建立风速模型，模拟正常吸烟机烟支在燃烧过程中的风速，通过计算得出，烟支在燃烧过程中，起始至结束位置的风速差异大于70 mm/s，远大于人在正常吸烟环境下的10-50 mm/s的差值，且烟支燃烧点在接近规定的燃烧终止线时，其附近风速已经降至143 mm/s，远远低于170 mm/s的低限。测量点风速值越高，前后的风速差异也越大。这样就会造成烟气总粒相物测定的正偏差。

2.2 吸烟机风速变化模拟结果的实际验证

将固定位置风速分别调节到每孔道平均200 mm/s（表1）和180 mm/s（表2）,然后调整风速仪插入的深度得到以下结果。

通过对现有吸烟机风速控制模式下不同卷烟燃烧位置的风速的实际测量结果看，烟支在燃烧过程中随着燃烧点距烟支燃烧终止线距离越近，风速值逐渐降低。当固定位置风速设定200 mm/s时，烟支点燃端与燃烧末端风速差的变化范围在89-107 mm/s之间，平均值为93.0 mm/s；固定位置风速设定180 mm/s时，烟支点燃端与燃烧末端风速差的变化范围在65-85mm/s之间，平均值为76.1 mm/s。烟支在燃烧末端风速降低达36%～54%。点燃端风速值越高，烟支点燃端与燃烧末端风速差的变化范围可能也越大。

表1 改进前平均风速设定200 mm/s 时，直线式（20+1）孔道吸烟机烟支燃烧过程风速测试结果Tab.1 Test results of air-flow speed for (20+1) channel linear smoking machine in smoking process before the air-flow control system was improved （average flow speed set：200 mm/s）

表2 改进前平均风速设定180 mm/s 时，（20+1）孔道吸烟机烟支燃烧过程风速测试结果Tab.2 Test results of air-flow speed for (20+1) channel linea r smoking machine in smoking process before the air-flow contro l system was improved （average flow speed set：180 mm/s）

另外，在实验中还发现，在测量风速时，人员在室内来回走动也对风速产生显著影响，引起风速仪显示值的波动。这种风速变化也会影响卷烟的燃烧过程，进而影响卷烟烟气气相物和粒相物的捕集和有关化学成分的测定结果的稳定性，因此，有必要对其进行改进。

2.3 吸烟机风速控制装置的改造

吸烟机改造初期的模拟设计，利用流体力学软件模拟吸烟机风速总体流量及流速，以期找出影响半开放式直线型吸烟机风速稳定性及均匀性的因素。首先确定气流速度的总体流速及分布状态，得到吸烟机的气流速度分布。从风速的分布图（图3）可看出，吸烟机在烟支燃烧阶段的气流速度完全处于低风速状态，当气流进入垂直上升阶段及长方形箱体时，气流速度由低风速向中风速递进，当风速由长方形敞开大体积风道口收窄至不同分路的岐路圆形管道时，风速由中流量风速迅速转化到高流速阶段。根据不同阶段风速的变化分布状况，确定卷烟燃烧所处的区域即低风速区域是我们应该主要控制并保障风速控制稳定及均匀的区域。由于直线型吸烟机是半开放式的设计、周围环境因素的变化及瞬间风向的变化影响其风速稳定性及均匀性。另外低流速与中流速之间的过渡区域气流不稳定也会影响低流速区域的稳定性与均匀性。

针对上述可能影响低流速区域的稳定性与均匀性的因素，对吸烟机进行改造设计。首先在吸烟机进风端加装整流网，解决环境因素及瞬间风向的不稳定对低风速区域的直接影响，然后在低风速与中风速过度区域加装层流芯，层流芯是由密褶式玻璃纤维滤纸结构组成的蜂窝式滤网，气流风速流经等孔隙、定长度、低阻力的滤网时，降低了气流湍流度，使各通道的气流风速一致性更好，从而减小气流速度不稳定对低风速区域的间接影响。考虑到中流速与高流速过渡区域会对中流速区域的风速有较明显的影响，气流的传递也会对低风速区域有影响，因此在此区域利用歧管分流长方形箱体缓冲气流，间接保证中流速与低流速区域气流速度的稳定。

图3 （20+1）孔道吸烟机气体流速的分布模拟图Fig.3 Simulation diagram of air-flow speed distribution for (2 0+1)channel linear smoking machine before improvement

按照以上设计思路，按照1:1的比例，在 flowsimulation流体力学软件上建立了吸烟机风道管路的模型图（图4）。模型参数的设置，按照GB/T 16447《烟草及烟草制品调节和测试的大气环境》大气环境测试要求，将测试模型环境参数按照实验室环境大气压力为101 kPa，温度22 ℃，相对湿度60%[11]进行初始化设置。其它模拟参数设置，将风速模型入口环境压力设置为实验室大气环境压力，流体设置为空气，模型工作环境设置恒温恒湿实验室内，并设置为绝热状态，不传导。由于是恒温恒湿环境，因此空气气体的流动并没有因与管壁摩擦产生较大的热效应，故参数设置为绝热，不传导。又由于风道内表面使用材料表面较为光滑，因此设置表面粗糙度为25 μm。

吸烟机排风装置主要由风机和管路组成，风机的选择非常重要，选择风机需测算吸烟机烟道排风口同时也是风机进口的气流速度流量。半开放式的直线吸烟机垂直风道风速流量是风道截面积与吸烟机在烟支燃烧过程中目标风速的乘积。垂直风道截面积是由风道宽度（200 mm）和风道长度（1500 mm）的乘积，即：3.00×105mm2。风机整体流量=(200 mm/s)×(3.00×105mm2)=6.00×107mm3/s（216 m3/h）。

将上述设定参数输入 flow simulation软件，通过流体力学模型计算得出烟支燃烧过程中的风速为320 mm/s，超过目标流量；其原因为：实际风速在整个风道宽度内并不均匀，中间为200 mm/s，两侧逐渐降低。反复调节吸烟机烟道排风口流量的设定范围，当吸烟机烟道排风口流量为144 m3/h时(图4)，满足吸烟机在烟支燃烧过程中目标风速200 mm/s。由于风机在实际使用过程需要根据需求变化调节风速到目标风速，因此在吸烟机烟道排风口流量的1.5-2倍范围内，选定额定流量为248 m3/h的一款调速风机。

图4 （20+1）孔道直线式吸烟机改进后的风道模型Fig.4 Air duct model for the improved (20+1) channel linear smoking machine

2.4 吸烟机风速控制装置改造后风速模型的建立

应用 flow-simulation流体力学软件，在改造后的（20+1）孔道吸烟机上建立风速模型，模拟正常吸烟时烟支燃烧过程中气流速度的变化形态，并形成模拟图（见图5）。

图5 改造后直线式（20+1）孔道直线型吸烟机风场风速模拟图Fig.5 Simulation diagram of air-flow field and air-flow speed for the improved (20+1) channel linear smoking machine

图6 吸烟机改进后各孔道风速模拟图Fig.6 Simulation diagram of air-flow speed for every channel o f the improved (20+1) channel linear smoking machine

从气流速度模拟图示上标注的数值来看，经过改装风速控制单元后的吸烟机，烟支燃烧过程中将固定位置风速调节到每孔道平均200 mm/s时，起始至结束位置的风速差异较小，符合人在室内场所吸烟时环境的风速变化特点。并且每个孔道之间的风速差值较小且分布均匀。当风速流经吸烟机防护罩两端时，空气与防护罩之间产生了摩擦，导致风速低于远离防护罩端，但风速仍在控制范围（图6）。

2.5 吸烟机风速变化模拟图的实际验证

按照GB/T 16447 《调节和测试的大气环境》控制实验环境，使用瑞士生产的ThermoAir3风速仪设备与斯茹林VMD数据采集设备相连接，按照每孔道以10s为一个计数单位，连续读取10次，取其平均值进行风速测量。实际验证：用（20+1）孔道直线型吸烟机验证空气流速的均匀性，根据ISO 3308—2012《常规分析 用吸烟机定义和标准条件》对风速测量的指导要求，取5个点进行测量，其中包括吸烟机孔道的中间点、边缘点和近边缘点，得到以下测量结果。（表3）

表3 平均风速设定200mm/s时，改造后（20+1）孔道吸烟机烟支燃烧过程风速测试结果Tab.3 Test results of air-flow speed for (20+1) channel linear smoking machine in smoking process after the air-flow control system was improved （average flow speed set：200mm/s）

从实际测量结果看，烟支点燃端与燃烧末端风速变化较小，风速极差值均小于26.3 mm/s，较改造前大幅度降低。在实验过程中，为验证由于室内人员走动瞬间对风速的变化是否比改造前有所改善，在测量风速时，人员特意在室内来回走动观察其风速仪数据采集装置示值风速变化的动态，示值显示瞬间风速变化很小。以上实验结果表明：吸烟机风速装置系统改装后，外界环境变化对卷烟燃烧整个过程风速的影响很小，卷烟燃烧各阶段风速均匀稳定。

2.6 吸烟机改造前后烟气常规分析指标测定结果的差异比较

从改造前与改造后吸烟机烟气常规分析指标实验数据对比看（表4），实验结果差异较大，改造后的烟气常规分析指标数据整体低于改造前，降低幅度在6.1%～18.1%之间。从吸烟机在改造前、后烟气常规分析指标重复性实验组间的变异系数结果看，离散程度及稳定性明显优于改造前。从（表5）CM7卷烟烟气常规分析指标孔道间测定结果的比对分析，也可以看出，吸烟机在改造后各个孔道测得的所有指标的变异系数也均小于改造前。以上可以说明通过改造吸烟机的风速系统，吸烟机捕集主流烟气常规化学成分的稳定性明显增强。

表4 改造前后（20+1）孔道直线型吸烟机 CM7卷烟烟气常规分析指标测定结果的对比Tab.4 Comparison of the regular smoking indexes of CM7 monitor cigarettes tested before and after the (20+1) channel linear s moking machine was improved

表5 改造前后（20+1）孔道直线型吸烟机 CM7卷烟烟气常规分析指标孔道间测定结果的比对Tab.5 Comparison of the regular smoking indexes obtained from different channels before and after the (20+1) channel linear s moking machine was improved

从（表6）可以看出，统计学分析结果表明，吸烟机改造后各项烟气常规分析指标值测定值都有显著性降低。双样本T检验结果显示吸烟机在改造前与改造后烟气常规分析指标具有显著性差异。

表6 改造前后（20+1）孔道直线型吸烟机 CM7卷烟烟气常规分析指标测定结果的统计学分析结果Tab.6 Statistical analysis results for the regular smoking ind exes of CM7 monitor cigarettes tested before and after the (20+ 1) channel linear smoking machine was improved

3 结论

通过应用 flow-simulation软件模拟卷烟在欧美利华（20+1）孔道吸烟机上燃烧的气流变化情况，对原有吸烟机的气流控制系统进行了改造，并经实际测量验证了改造前后整个卷烟燃吸过程风速的变化状况。通过改进吸烟机排风系统烟道位置的调速风机、在吸烟机的防护罩下端加装整流网，在吸烟机烟支燃烧的上端加装层流芯等措施，很好地解决了在卷烟燃吸过程中气流速度不均匀、不稳定的问题。实验结果表明，烟支在不同的燃烧阶段，气流速度在烟支前端与末端产生极大的风速差导致气流速度在吸烟过程中的不一致性对卷烟烟气捕集具有显著性影响。吸烟机风速系统经改造后，CM7卷烟烟气常规分析各指标项测定值在组间和孔道间的变异系数明显低于改造前，当固定位置风速设定200 mm/s时，烟支在燃烧过程中起始至结束位置平均风速差由93.0 mm/s降至20.7 mm/s，说明吸烟机改造后吸烟机捕集主流烟气常规化学成分的均匀性和稳定性得到了提高；烟支在燃烧过程中起始至结束位置风速保持每孔道平均200 mm/s时，烟气常规分析指标显著低于目前常规分析用吸烟机，两者之间具有显著性差异。

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[12]《Cigarettes - Determination of total and nicotine-free dry particulate matter using a routine analytical smoking machine》 (ISO 4387:2000)

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[14]中华人民共和国质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 23355—2009《卷烟 总粒相物中烟碱的测定 气相色谱法》 [ S ].北京: 中 国标准出版社,2009.（ISO 10315—2000）

[15]中华人民共和国质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 23203.1—2008《卷烟 总粒相物中水分的测定气相色谱法》[ S ].北京: 中 国标准出版社,2008.（ISO 10362-1）

Improvement of air-f ow control system in enclosure of linear smoking machine and its application

YAN Lihong1,ZHAO Zhanhui2,ZHAO Hang3,WANG Weiwei1,ZHANG Tiefeng2,HE Aijun1，LI Yanhui2,ZHOU Jun1
1 Beijing Working Station,Technical Center of Shanghai Tobacco Group Corp.,Ltd,Beijing 101121,China;
2 Beijing Omerica Scientific Company,Ltd,Building B,No.14,Zhonghe Street,Beijing Hi-tech Economy Development District,100176 ,China;
3 Research Center of Tobacco Standardization of China,Zhengzhou 450001,China

By establishing an air- flow speed model on a （20+1）channel linear smoking machine through flow-simulation,changing patterns of air- flow speed around cigarettes in smoking process were imitated.At different combustion stages,the gap of air- flow speed between front and rear end of a cigarette caused by air- flow could lead to changes of air- flow speed around cigarettes during smoking process,which then affect smoke trapping.By improving air exhaust device and adding steady flow net to the bottom of the enclosure of smoking machine,air- flow speed became more even and stable: intro-group and intro channel RSDs of the regular smoking indexes determined were significantly decreased and the average gap of air- flow speed between the front and the rear end of the cigarette was reduced from 93.0 mm/s to 20.7 mm/s when the air- flow speed was set at 200 mm/s.It was proved that the average air- flow speed around front and rear end of cigarettes remained about 200 mm/s at every channel during the entire smoking process after the air control system was improved.The in fluences of air- flow speed and its changing of directions to cigarette combustion and smoke trapping were reduced.Regular smoking indexes of CM7 monitor cigarettes determined are significantly lower using the improved linear smoking machine than original (ordinary) one.

linear smoking machine;air- flow speed;model of air- flow;gap of air- flow speed;smoke trapping

严莉红，赵战辉，赵航,等.直线式吸烟机罩内风速控制系统的改进与应用研究[J].中国烟草学报，2015,21（3）

严莉红，工程师，主要从事烟草化学研究，13520813406@139.com

李彦辉，工程师，主要从事烟草分析仪器研究，Email:yanhuili@omerica.cn周 骏，研究员，主要从事烟草化学研究，Email:zhoujun100@sohu.com

2015-03-13

: YAN Lihong,ZHAO Zhanhui,ZHAO Hang,et al.Improvement of air-flow control system in enclosure of linear smoking machine and its application [J].Acta Tabacaria Sinica,2015,21(3)