恒温恒湿调节箱内气流分布状态及其对卷烟调节效果的影响

陈志浩，苗芊，卢嫣萍，周晓雨，吕晓东，王予，王慧平，肖燕，熊文，秦云华，陶虹，姚柏松，黄菲，钟青，赵继俊，丁丽，冯茜

1 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市高新技术开发区枫杨街2号 450001；2 浙江省烟草质量监督检测站，浙江省杭州市上城区将军路9号 310001；3 山东中烟工业有限责任公司，山东省济南市历下区经十路11888号 250014；4 上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717号 200082;5 广东中烟工业有限责任公司，广东省广州市荔湾区东沙环翠南路88号 510385；6 云南省烟草质量监督检测站，云南省昆明市高新开发区科医路41号 650106；7 云南中烟工业有限责任公司，云南省昆明市红锦路367号 650000

根据国际标准ISO 3402和国家标准GB/T 16447的规定，卷烟样品在进行物理、化学指标检测之前需在调节大气的环境（温度22℃±1℃，相对湿度60%±3%）中进行48 h的调节[1-2]。该调节步骤主要是调节卷烟中烟丝的含水率，原因是卷烟中烟丝含水率对于其物理、化学检测有较大影响[3-9]。根据ISO 3402和GB/T 16447的规定，卷烟样品应在一定的时间内用足够的气流进行调节，但过大的气流又会导致不适当的调节，且最终卷烟样品均需要进行平衡验证（如3 h内重量相对变化不超过0.2%）。目前行业主要采用卷烟恒温恒湿调节箱对卷烟样品进行调节[10]，但恒温恒湿调节箱中样品的数量，堆积方式和摆放位置等都对箱内气流速度有着直接的影响，而且在卷烟调节后的平衡验证并未按照相关标准执行。然而，国内外尚未见到针对调节箱内气流的分布状态及其对于卷烟样品调节效果影响的研究。

本文在前期对恒温恒湿房间中不同强制气流下卷烟样品调节效果影响的研究基础上[11]，进一步开展了调节箱内卷烟样品调节时样品的数量、堆积方式和摆放位置对于调节箱内气流分布影响的研究，并对于不同规格卷烟样品在调节箱内不同位置的调节效果进行了验证实验。本实验研究结果对生产企业以及实验室研究人员在使用卷烟恒温恒湿调节箱和卷烟样品平衡的验证都具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

卷烟样品：不同规格的市售卷烟的样品参数见表1。

表1 不同规格市售卷烟的样品参数Tab.1 General information of the tested cigarettes

恒温恒湿卷烟调节箱：Binder公司生产的KBF240（480 mm×640 mm×780 mm）；

风速仪：Testo 450i，精度为0.01 m/s，风速仪与手机终端通过蓝牙传输数据连接以测量调节箱内强制气流的大小；

分析天平：SARTORIUS CP224S，精度为0.0001 g。

1.2 实验方法和条件

1.2.1 样品数量、堆积方式、摆放位置对气流分布状态的影响——正交布点检测

1.2.1.1 数量对恒温恒湿调节箱内气流分布的影响

选取KBF240作为研究对象，按照正交设计方法布置风速仪探头测量点（黑色圆点），如图1所示将风速仪布置于KBF240调节箱内。样品放置方式以带网眼塑料筐容器盛满烟支（100支），塑料筐的放置方式为堆叠摆放，按照样品体积占箱体体积比分别为0%、16%、32%、48%和64%放置样品（64%为样品装满的状态），分别有0、36、72、108和144筐卷烟样品，如图2所示。将恒温恒湿调节箱的温湿度控制器设定为温度22℃，相对湿度60%，使设备正常工作，稳定后开始测量该位置的风速。每个位置探头固定在该位置各个方向探测到风速的最高值的方向。

图2 不同卷烟样品数量在调节箱中的实际放置图Fig.2 Constant climate chamber filled with different number of cigarette samples

1.2.1.2 堆积方式对恒温恒湿调节箱内气流分布的影响

选取KBF240作为研究对象，将风速仪按照图1布置于KBF240调节箱内。我们在记录各个位置的气流速度时，样品分别以平铺、三角堆叠、竖立堆放、盒装剪底和无规则的方式放置，如图3所示。其中，在考察每种堆积方式对气流分布的影响时，均使用200支常规卷烟样品放置在恒温恒湿调节箱的中心区域。然后将恒温恒湿调节箱的温湿度控制器设定为温度22℃，相对湿度60%，使设备正常工作，稳定后开始测量该位置的风速。每个位置探头固定在该位置各个方向探测到风速的最高值的方向。

图3 卷烟样品不同堆积方式的示意图Fig.3 Different ways of placing cigarette samples

1.2.1.3 摆放位置对恒温恒湿调节箱内气流分布的影响

选取KBF240作为研究对象，将风速仪按照图1布置于KBF240调节箱内。两层隔板将调节箱分为上、中、下层，样品放置方式以带网眼塑料筐容器盛满烟支（100支），塑料筐的放置方式为单层摆放，每层可以放置9筐卷烟。我们在记录各个位置气流速度时，分别将9筐卷烟放置在上、中、下层，将18筐卷烟放置在上、中层，上、下层和中、下层。然后将恒温恒湿调节箱的温湿度控制器设定为温度22℃，相对湿度60%，使设备正常工作，稳定后开始测量该位置的风速。每个位置探头固定在该位置各个方向探测到风速的最高值的方向。

1.2.2 恒温恒湿调节箱内不同规格的卷烟样品调节效果——相对重量变化率

将表1中卷烟样品首先按照单因子方差分析的方法进行样品重量的均匀性验证，然后7家实验室进行共同实验，实验过程具体如下：将恒温恒湿调节箱的温湿度控制器设定为温度22℃，相对湿度60%。在恒温恒湿箱内的风速测量位置各放置50支挑选的卷烟样品（放置在塑料筐中）进行调节。待放入恒温恒湿箱调节48 h以后，对每组样品进行一次称重并记录质量；随后继续放入恒温恒湿箱调节3 h（即初始时间后的51 h）以后，对每组样品再进行一次称重并记录质量。所有实验使用的天平和恒温恒湿调节箱均放置在温度22℃，相对湿度60%的恒温恒湿房间中。对调节48 h后和51 h后的质量进行格拉布斯、曼德尔h统计量和k统计量检验分析，以确定数据的精确度。

最终按照公式（1）计算三个小时内卷烟样品重量的变化率：

式中：ω：卷烟样品三个小时内重量变化率，结果精确至0.01%；mt：48 h后卷烟质量，单位为克（g）；mt+3：51 h后卷烟质量，单位为克（g）。如果ω不大于0.2%，则视为卷烟调节达到平衡要求。

2 结果与讨论

2.1 样品数量、堆积方式、摆放位置对恒温恒湿调节箱内气流分布状态的影响研究

2.1.1 卷烟样品数量对恒温恒湿调节箱内气流分布的影响

在KBF240恒温恒湿调节箱中进行卷烟样品数量对箱内气流分布影响的研究，不同卷烟样品总量对于各个位置气流强度和箱内整体气流分布的影响如图4所示。以空箱内的风速检测数据分析为例（见附图1，仅见于电子版），可以看出检测到的气流速度数据相对于平均气流速度没有显著性变化，因此可以采用各个位置的平均气流速度来进行整体分布趋势的研究。从图中能够看出，随着调节箱内样品数量增加，中心与右上位置的气流速度处在波动状态，左上位置的气流速度随样品数量的增加而逐渐升高外，右下和左下位置无明显变化。说明卷烟数量对于箱内各位置的气流速度有一定影响，但气流速度升高或降低并无明显规律。从整体上看，随着调节箱内样品数量逐渐增加，中心和右上位置仍然是风速相对较高的区域，这与KBF240空箱测试结果一致，卷烟样品数量的增加对于调节箱内整体的气流分布并未产生明显的影响，整体气流速度分布趋势并未改变。

图4 不同卷烟样品数量对于调节箱内不同位置气流速度的影响Fig.4 The influence of the number of cigarette samples on the air flow rate at different positions in the adjusting chamber

2.1.2 卷烟样品堆积方式对恒温恒湿调节箱内气流分布的影响

在KBF240恒温恒湿调节箱中进行卷烟堆积方式对箱内气流分布影响的研究，不同样品堆积方式对于各个位置气流强度和气流分布的影响如图5所示。以无规则散放的风速检测数据分析为例（见附图2，仅见于电子版），同样可以看出瞬时气流速度数据相对于平均气流速度没有显著性变化，因此可以采用各个位置的平均气流速度来进行整体分布趋势的研究。从图5中可以看出，在无样品时，空箱内中心位置风速最大（平均风速约为0.33 m/s），右上位置其次（平均风速约为0.26 m/s），左上位置风速略低于右上位置（约为0.22 m/s），右下位置平均风速约为0.1 m/s，而左下位置风速最低（平均风速低于0.05 m/s），整体气流分布并不均匀。当卷烟样品分别以平铺、三角堆叠、竖立、盒装剪底以及无规则散放方式放入调节箱时，不同的堆积方式对于各个位置气流速度有一定影响，除左下位置外，其余四个位置气流速度均有所降低。然而从整体来看，箱内气流速度分布趋势变化不大，即无论这样改变卷烟样品的堆积方式，无样品时气流速度较高区域气流速度依然较高，反之亦然。说明卷烟样品不同的方式堆积对箱内气流速度分布均匀度无明显影响。

图5 不同卷烟样品堆积方式对于调节箱内不同位置气流速度的影响Fig.5 The influence of different placing ways of cigarette samples on the air flow rate at different positions in the adjusting chamber

2.1.3 卷烟样品摆放位置对恒温恒湿调节箱内气流分布的影响

在KBF240恒温恒湿调节箱中进行卷烟摆放位置对箱内气流分布影响的研究，9筐卷烟样品和18筐卷烟样品不同的摆放位置对于各个位置气流强度和气流分布的影响如图6所示。以9筐烟放在中层的风速检测数据分析为例（见附图3，仅见于电子版），与2.1.1和2.1.2一致，也可以看出瞬时气流速度数据相对于平均气流速度没有显著性变化，因此可以采用各个位置的平均气流速度来进行整体分布趋势的研究。从图6（a）可以看出，调节箱内无样品时，各个测量点位置气流速度并不均匀，中心和右上位置气流速度较高，左下和右下位置气流速度较低。当9筐卷烟样品由摆放在调节箱隔板最上层移动至最下层转变时，中心位置，左上和左下位置气流速度逐渐增加，且各个测量点位置气流大小仍然不均匀。从图6（b）可以看出，当调节箱内两层隔板放置卷烟时，改变摆放位置时，各个测量点的气流速度有一定波动，但箱内气流速度分布趋势无明显变化。这些结果说明无论这样改变卷烟样品的摆放位置，无样品时气流速度较高区域气流速度依然较高，说明卷烟样品在不同隔板的摆放位置对于箱体内气流分布均匀度影响不明显。

由2.1.1、2.1.2和2.1.3可以看出，卷烟在KBF240恒温恒湿调节箱的调节过程中，改变样品数量、堆积方式和摆放位置时，对箱体内各位置的气流强度有一定影响，影响效果并无明显规律，但对箱内整体气流分布均匀度没有明显影响。KBF240是目前国内行业使用率最高的恒温恒湿调节箱，其内部采用两侧送风，背板回风的方式，这有利于箱内温湿度均匀分布。因此，这种送风方式也被大多数恒温恒湿调节箱的生产厂家所采用的。而不同调节箱内各个位置的气流速度与箱体大小，风机功率有直接关系，因此不同调节箱内各个位置的气流速度可能并不一致。但当送风方式，箱体大小和风机功率确定时，箱内整体气流分布基本确定，因此KBF240的研究结果在一定程度上具有一定的普适性。

图6 不同卷烟样品摆放位置对于调节箱内不同位置气流速度的影响Fig.6 The influence of different placing positions of cigarette samples on the air flow rate at different positions in the adjusting chamber

2.2 恒温恒湿调节箱内不同规格的卷烟样品调节效果的研究

通过对555（常规）、云烟（常规）、散花（常规）、泰山（细支）、中华（中支）和乐途（短支）等市售卷烟重量进行均匀性验证，由单因素方差分析法计算得到的统计量F分别为1.66、1.58、1.78、1.42、1.26和1.15，均小于临界值F0.05（9，10）=3.02，说明各个规格的卷烟重量是均匀的。

随后根据曼德尔h统计量和k统计量检验，分析了七家实验室对六种卷烟调节48 h和51 h后的卷烟重量数据，剔除了组内异常值和测量精度异常情况（见附表1和附表2，仅见于电子版）。根据公式（1）对于所有卷烟样品是否达到平衡进行验证，结果如附图4所示（仅见于电子版）。由不同规格的卷烟样品调节效果可以看出，其中除了一组泰山（细支）卷烟未满足标准规定的平衡要求外，本实验中所选取的各个规格的市售卷烟在恒温恒湿调节箱内调节时间满足48 h后，都可以达到标准规定的平衡要求，说明烟支规格对卷烟调节至平衡并无影响。值得注意的是，根据7家实验室的共同实验结果，在调节48 h之后，泰山细支卷烟样品相对重量变化率在0.15%～0.2%有二组，调节时分别是放置在左上位置和右下位置，超过0.2%有一组，调节时放置在右下位置；中华中支卷烟样品相对重量变化率达到0.15%～0.2%有一组，调节时放置在左上位置；乐途短支卷烟样品相对重量变化率达到0.15%～0.2%有一组，调节时放置在右下位置；555卷烟样品相对重量变化率达到0.15%～0.2%有一组，调节时放置在右下位置。可以看出，各种卷烟样品在调节48 h后相对重量变化较大的实验均出现在左上和右下，即靠近箱门的一侧。因此，建议在使用恒温恒湿调节箱对卷烟进行调节时，尽量不要将样品放在靠近箱门的一侧。另外，共同实验的结果说明标准中规定3 h内相对质量变化率不超过0.2%的平衡验证条件符合实际情况。

3 结论

本文研究了卷烟样品的数量、堆积方式和摆放位置对于调节箱内气流分布的影响，同时，组织行业7家实验室对于不同规格卷烟样品在调节箱内不同位置的调节效果进行了验证实验，从研究结果中可以得到以下结论：

（1）行业常用的卷烟恒温恒湿调节箱内气流分布并不均匀，各个位置气流速度差异较大，某些位置甚至无法检测到强制气流；

（2）卷烟在恒温恒湿调节箱的调节过程中，改变样品数量、堆积方式和摆放位置时，对箱体内各位置的气流强度有一定影响，影响效果并无明显规律，但对箱内整体气流分布均匀度没有明显影响；

（3）当调节时间满足48 h时，烟支规格对卷烟调节至平衡并无影响，卷烟样品均能达到标准规定的平衡要求，3 h内重量变化不大于0.2%的判定方法符合实际情况。

本文对生产企业以及实验室研究人员在使用卷烟恒温恒湿调节箱和卷烟样品平衡的验证都具有一定的指导意义。