恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布狀態(tài)及其對卷煙調(diào)節(jié)效果的影響

陳志浩，苗芊，盧嫣萍，周曉雨，呂曉東，王予，王慧平，肖燕，熊文，秦云華，陶虹，姚柏松，黃菲，鐘青，趙繼俊，丁麗，馮茜

1 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001；2 浙江省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測站，浙江省杭州市上城區(qū)將軍路9號 310001；3 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，山東省濟(jì)南市歷下區(qū)經(jīng)十路11888號 250014；4 上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海市楊浦區(qū)長陽路717號 200082;5 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東省廣州市荔灣區(qū)東沙環(huán)翠南路88號 510385；6 云南省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測站，云南省昆明市高新開發(fā)區(qū)科醫(yī)路41號 650106；7 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，云南省昆明市紅錦路367號 650000

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3402和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16447的規(guī)定，卷煙樣品在進(jìn)行物理、化學(xué)指標(biāo)檢測之前需在調(diào)節(jié)大氣的環(huán)境（溫度22℃±1℃，相對濕度60%±3%）中進(jìn)行48 h的調(diào)節(jié)[1-2]。該調(diào)節(jié)步驟主要是調(diào)節(jié)卷煙中煙絲的含水率，原因是卷煙中煙絲含水率對于其物理、化學(xué)檢測有較大影響[3-9]。根據(jù)ISO 3402和GB/T 16447的規(guī)定，卷煙樣品應(yīng)在一定的時間內(nèi)用足夠的氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)，但過大的氣流又會導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，且最終卷煙樣品均需要進(jìn)行平衡驗證（如3 h內(nèi)重量相對變化不超過0.2%）。目前行業(yè)主要采用卷煙恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱對卷煙樣品進(jìn)行調(diào)節(jié)[10]，但恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱中樣品的數(shù)量，堆積方式和擺放位置等都對箱內(nèi)氣流速度有著直接的影響，而且在卷煙調(diào)節(jié)后的平衡驗證并未按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。然而，國內(nèi)外尚未見到針對調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流的分布狀態(tài)及其對于卷煙樣品調(diào)節(jié)效果影響的研究。

本文在前期對恒溫恒濕房間中不同強(qiáng)制氣流下卷煙樣品調(diào)節(jié)效果影響的研究基礎(chǔ)上[11]，進(jìn)一步開展了調(diào)節(jié)箱內(nèi)卷煙樣品調(diào)節(jié)時樣品的數(shù)量、堆積方式和擺放位置對于調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布影響的研究，并對于不同規(guī)格卷煙樣品在調(diào)節(jié)箱內(nèi)不同位置的調(diào)節(jié)效果進(jìn)行了驗證實驗。本實驗研究結(jié)果對生產(chǎn)企業(yè)以及實驗室研究人員在使用卷煙恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱和卷煙樣品平衡的驗證都具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

卷煙樣品：不同規(guī)格的市售卷煙的樣品參數(shù)見表1。

表1 不同規(guī)格市售卷煙的樣品參數(shù)Tab.1 General information of the tested cigarettes

恒溫恒濕卷煙調(diào)節(jié)箱：Binder公司生產(chǎn)的KBF240（480 mm×640 mm×780 mm）；

風(fēng)速儀：Testo 450i，精度為0.01 m/s，風(fēng)速儀與手機(jī)終端通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)連接以測量調(diào)節(jié)箱內(nèi)強(qiáng)制氣流的大?。?/p>

分析天平：SARTORIUS CP224S，精度為0.0001 g。

1.2 實驗方法和條件

1.2.1 樣品數(shù)量、堆積方式、擺放位置對氣流分布狀態(tài)的影響——正交布點檢測

1.2.1.1 數(shù)量對恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布的影響

選取KBF240作為研究對象，按照正交設(shè)計方法布置風(fēng)速儀探頭測量點（黑色圓點），如圖1所示將風(fēng)速儀布置于KBF240調(diào)節(jié)箱內(nèi)。樣品放置方式以帶網(wǎng)眼塑料筐容器盛滿煙支（100支），塑料筐的放置方式為堆疊擺放，按照樣品體積占箱體體積比分別為0%、16%、32%、48%和64%放置樣品（64%為樣品裝滿的狀態(tài)），分別有0、36、72、108和144筐卷煙樣品，如圖2所示。將恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的溫濕度控制器設(shè)定為溫度22℃，相對濕度60%，使設(shè)備正常工作，穩(wěn)定后開始測量該位置的風(fēng)速。每個位置探頭固定在該位置各個方向探測到風(fēng)速的最高值的方向。

圖2 不同卷煙樣品數(shù)量在調(diào)節(jié)箱中的實際放置圖Fig.2 Constant climate chamber filled with different number of cigarette samples

1.2.1.2 堆積方式對恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布的影響

選取KBF240作為研究對象，將風(fēng)速儀按照圖1布置于KBF240調(diào)節(jié)箱內(nèi)。我們在記錄各個位置的氣流速度時，樣品分別以平鋪、三角堆疊、豎立堆放、盒裝剪底和無規(guī)則的方式放置，如圖3所示。其中，在考察每種堆積方式對氣流分布的影響時，均使用200支常規(guī)卷煙樣品放置在恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的中心區(qū)域。然后將恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的溫濕度控制器設(shè)定為溫度22℃，相對濕度60%，使設(shè)備正常工作，穩(wěn)定后開始測量該位置的風(fēng)速。每個位置探頭固定在該位置各個方向探測到風(fēng)速的最高值的方向。

圖3 卷煙樣品不同堆積方式的示意圖Fig.3 Different ways of placing cigarette samples

1.2.1.3 擺放位置對恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布的影響

選取KBF240作為研究對象，將風(fēng)速儀按照圖1布置于KBF240調(diào)節(jié)箱內(nèi)。兩層隔板將調(diào)節(jié)箱分為上、中、下層，樣品放置方式以帶網(wǎng)眼塑料筐容器盛滿煙支（100支），塑料筐的放置方式為單層擺放，每層可以放置9筐卷煙。我們在記錄各個位置氣流速度時，分別將9筐卷煙放置在上、中、下層，將18筐卷煙放置在上、中層，上、下層和中、下層。然后將恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的溫濕度控制器設(shè)定為溫度22℃，相對濕度60%，使設(shè)備正常工作，穩(wěn)定后開始測量該位置的風(fēng)速。每個位置探頭固定在該位置各個方向探測到風(fēng)速的最高值的方向。

1.2.2 恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)不同規(guī)格的卷煙樣品調(diào)節(jié)效果——相對重量變化率

將表1中卷煙樣品首先按照單因子方差分析的方法進(jìn)行樣品重量的均勻性驗證，然后7家實驗室進(jìn)行共同實驗，實驗過程具體如下：將恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的溫濕度控制器設(shè)定為溫度22℃，相對濕度60%。在恒溫恒濕箱內(nèi)的風(fēng)速測量位置各放置50支挑選的卷煙樣品（放置在塑料筐中）進(jìn)行調(diào)節(jié)。待放入恒溫恒濕箱調(diào)節(jié)48 h以后，對每組樣品進(jìn)行一次稱重并記錄質(zhì)量；隨后繼續(xù)放入恒溫恒濕箱調(diào)節(jié)3 h（即初始時間后的51 h）以后，對每組樣品再進(jìn)行一次稱重并記錄質(zhì)量。所有實驗使用的天平和恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱均放置在溫度22℃，相對濕度60%的恒溫恒濕房間中。對調(diào)節(jié)48 h后和51 h后的質(zhì)量進(jìn)行格拉布斯、曼德爾h統(tǒng)計量和k統(tǒng)計量檢驗分析，以確定數(shù)據(jù)的精確度。

最終按照公式（1）計算三個小時內(nèi)卷煙樣品重量的變化率：

式中：ω：卷煙樣品三個小時內(nèi)重量變化率，結(jié)果精確至0.01%；mt：48 h后卷煙質(zhì)量，單位為克（g）；mt+3：51 h后卷煙質(zhì)量，單位為克（g）。如果ω不大于0.2%，則視為卷煙調(diào)節(jié)達(dá)到平衡要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品數(shù)量、堆積方式、擺放位置對恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布狀態(tài)的影響研究

2.1.1 卷煙樣品數(shù)量對恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布的影響

在KBF240恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱中進(jìn)行卷煙樣品數(shù)量對箱內(nèi)氣流分布影響的研究，不同卷煙樣品總量對于各個位置氣流強(qiáng)度和箱內(nèi)整體氣流分布的影響如圖4所示。以空箱內(nèi)的風(fēng)速檢測數(shù)據(jù)分析為例（見附圖1，僅見于電子版），可以看出檢測到的氣流速度數(shù)據(jù)相對于平均氣流速度沒有顯著性變化，因此可以采用各個位置的平均氣流速度來進(jìn)行整體分布趨勢的研究。從圖中能夠看出，隨著調(diào)節(jié)箱內(nèi)樣品數(shù)量增加，中心與右上位置的氣流速度處在波動狀態(tài)，左上位置的氣流速度隨樣品數(shù)量的增加而逐漸升高外，右下和左下位置無明顯變化。說明卷煙數(shù)量對于箱內(nèi)各位置的氣流速度有一定影響，但氣流速度升高或降低并無明顯規(guī)律。從整體上看，隨著調(diào)節(jié)箱內(nèi)樣品數(shù)量逐漸增加，中心和右上位置仍然是風(fēng)速相對較高的區(qū)域，這與KBF240空箱測試結(jié)果一致，卷煙樣品數(shù)量的增加對于調(diào)節(jié)箱內(nèi)整體的氣流分布并未產(chǎn)生明顯的影響，整體氣流速度分布趨勢并未改變。

圖4 不同卷煙樣品數(shù)量對于調(diào)節(jié)箱內(nèi)不同位置氣流速度的影響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 卷煙樣品堆積方式對恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布的影響

在KBF240恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱中進(jìn)行卷煙堆積方式對箱內(nèi)氣流分布影響的研究，不同樣品堆積方式對于各個位置氣流強(qiáng)度和氣流分布的影響如圖5所示。以無規(guī)則散放的風(fēng)速檢測數(shù)據(jù)分析為例（見附圖2，僅見于電子版），同樣可以看出瞬時氣流速度數(shù)據(jù)相對于平均氣流速度沒有顯著性變化，因此可以采用各個位置的平均氣流速度來進(jìn)行整體分布趨勢的研究。從圖5中可以看出，在無樣品時，空箱內(nèi)中心位置風(fēng)速最大（平均風(fēng)速約為0.33 m/s），右上位置其次（平均風(fēng)速約為0.26 m/s），左上位置風(fēng)速略低于右上位置（約為0.22 m/s），右下位置平均風(fēng)速約為0.1 m/s，而左下位置風(fēng)速最低（平均風(fēng)速低于0.05 m/s），整體氣流分布并不均勻。當(dāng)卷煙樣品分別以平鋪、三角堆疊、豎立、盒裝剪底以及無規(guī)則散放方式放入調(diào)節(jié)箱時，不同的堆積方式對于各個位置氣流速度有一定影響，除左下位置外，其余四個位置氣流速度均有所降低。然而從整體來看，箱內(nèi)氣流速度分布趨勢變化不大，即無論這樣改變卷煙樣品的堆積方式，無樣品時氣流速度較高區(qū)域氣流速度依然較高，反之亦然。說明卷煙樣品不同的方式堆積對箱內(nèi)氣流速度分布均勻度無明顯影響。

圖5 不同卷煙樣品堆積方式對于調(diào)節(jié)箱內(nèi)不同位置氣流速度的影響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 卷煙樣品擺放位置對恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布的影響

在KBF240恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱中進(jìn)行卷煙擺放位置對箱內(nèi)氣流分布影響的研究，9筐卷煙樣品和18筐卷煙樣品不同的擺放位置對于各個位置氣流強(qiáng)度和氣流分布的影響如圖6所示。以9筐煙放在中層的風(fēng)速檢測數(shù)據(jù)分析為例（見附圖3，僅見于電子版），與2.1.1和2.1.2一致，也可以看出瞬時氣流速度數(shù)據(jù)相對于平均氣流速度沒有顯著性變化，因此可以采用各個位置的平均氣流速度來進(jìn)行整體分布趨勢的研究。從圖6（a）可以看出，調(diào)節(jié)箱內(nèi)無樣品時，各個測量點位置氣流速度并不均勻，中心和右上位置氣流速度較高，左下和右下位置氣流速度較低。當(dāng)9筐卷煙樣品由擺放在調(diào)節(jié)箱隔板最上層移動至最下層轉(zhuǎn)變時，中心位置，左上和左下位置氣流速度逐漸增加，且各個測量點位置氣流大小仍然不均勻。從圖6（b）可以看出，當(dāng)調(diào)節(jié)箱內(nèi)兩層隔板放置卷煙時，改變擺放位置時，各個測量點的氣流速度有一定波動，但箱內(nèi)氣流速度分布趨勢無明顯變化。這些結(jié)果說明無論這樣改變卷煙樣品的擺放位置，無樣品時氣流速度較高區(qū)域氣流速度依然較高，說明卷煙樣品在不同隔板的擺放位置對于箱體內(nèi)氣流分布均勻度影響不明顯。

由2.1.1、2.1.2和2.1.3可以看出，卷煙在KBF240恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的調(diào)節(jié)過程中，改變樣品數(shù)量、堆積方式和擺放位置時，對箱體內(nèi)各位置的氣流強(qiáng)度有一定影響，影響效果并無明顯規(guī)律，但對箱內(nèi)整體氣流分布均勻度沒有明顯影響。KBF240是目前國內(nèi)行業(yè)使用率最高的恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱，其內(nèi)部采用兩側(cè)送風(fēng)，背板回風(fēng)的方式，這有利于箱內(nèi)溫濕度均勻分布。因此，這種送風(fēng)方式也被大多數(shù)恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的生產(chǎn)廠家所采用的。而不同調(diào)節(jié)箱內(nèi)各個位置的氣流速度與箱體大小，風(fēng)機(jī)功率有直接關(guān)系，因此不同調(diào)節(jié)箱內(nèi)各個位置的氣流速度可能并不一致。但當(dāng)送風(fēng)方式，箱體大小和風(fēng)機(jī)功率確定時，箱內(nèi)整體氣流分布基本確定，因此KBF240的研究結(jié)果在一定程度上具有一定的普適性。

圖6 不同卷煙樣品擺放位置對于調(diào)節(jié)箱內(nèi)不同位置氣流速度的影響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 恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)不同規(guī)格的卷煙樣品調(diào)節(jié)效果的研究

通過對555（常規(guī)）、云煙（常規(guī)）、散花（常規(guī)）、泰山（細(xì)支）、中華（中支）和樂途（短支）等市售卷煙重量進(jìn)行均勻性驗證，由單因素方差分析法計算得到的統(tǒng)計量F分別為1.66、1.58、1.78、1.42、1.26和1.15，均小于臨界值F0.05（9，10）=3.02，說明各個規(guī)格的卷煙重量是均勻的。

隨后根據(jù)曼德爾h統(tǒng)計量和k統(tǒng)計量檢驗，分析了七家實驗室對六種卷煙調(diào)節(jié)48 h和51 h后的卷煙重量數(shù)據(jù)，剔除了組內(nèi)異常值和測量精度異常情況（見附表1和附表2，僅見于電子版）。根據(jù)公式（1）對于所有卷煙樣品是否達(dá)到平衡進(jìn)行驗證，結(jié)果如附圖4所示（僅見于電子版）。由不同規(guī)格的卷煙樣品調(diào)節(jié)效果可以看出，其中除了一組泰山（細(xì)支）卷煙未滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平衡要求外，本實驗中所選取的各個規(guī)格的市售卷煙在恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)調(diào)節(jié)時間滿足48 h后，都可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平衡要求，說明煙支規(guī)格對卷煙調(diào)節(jié)至平衡并無影響。值得注意的是，根據(jù)7家實驗室的共同實驗結(jié)果，在調(diào)節(jié)48 h之后，泰山細(xì)支卷煙樣品相對重量變化率在0.15%～0.2%有二組，調(diào)節(jié)時分別是放置在左上位置和右下位置，超過0.2%有一組，調(diào)節(jié)時放置在右下位置；中華中支卷煙樣品相對重量變化率達(dá)到0.15%～0.2%有一組，調(diào)節(jié)時放置在左上位置；樂途短支卷煙樣品相對重量變化率達(dá)到0.15%～0.2%有一組，調(diào)節(jié)時放置在右下位置；555卷煙樣品相對重量變化率達(dá)到0.15%～0.2%有一組，調(diào)節(jié)時放置在右下位置。可以看出，各種卷煙樣品在調(diào)節(jié)48 h后相對重量變化較大的實驗均出現(xiàn)在左上和右下，即靠近箱門的一側(cè)。因此，建議在使用恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱對卷煙進(jìn)行調(diào)節(jié)時，盡量不要將樣品放在靠近箱門的一側(cè)。另外，共同實驗的結(jié)果說明標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定3 h內(nèi)相對質(zhì)量變化率不超過0.2%的平衡驗證條件符合實際情況。

3 結(jié)論

本文研究了卷煙樣品的數(shù)量、堆積方式和擺放位置對于調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布的影響，同時，組織行業(yè)7家實驗室對于不同規(guī)格卷煙樣品在調(diào)節(jié)箱內(nèi)不同位置的調(diào)節(jié)效果進(jìn)行了驗證實驗，從研究結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：

（1）行業(yè)常用的卷煙恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣流分布并不均勻，各個位置氣流速度差異較大，某些位置甚至無法檢測到強(qiáng)制氣流；

（2）卷煙在恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱的調(diào)節(jié)過程中，改變樣品數(shù)量、堆積方式和擺放位置時，對箱體內(nèi)各位置的氣流強(qiáng)度有一定影響，影響效果并無明顯規(guī)律，但對箱內(nèi)整體氣流分布均勻度沒有明顯影響；

（3）當(dāng)調(diào)節(jié)時間滿足48 h時，煙支規(guī)格對卷煙調(diào)節(jié)至平衡并無影響，卷煙樣品均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平衡要求，3 h內(nèi)重量變化不大于0.2%的判定方法符合實際情況。

本文對生產(chǎn)企業(yè)以及實驗室研究人員在使用卷煙恒溫恒濕調(diào)節(jié)箱和卷煙樣品平衡的驗證都具有一定的指導(dǎo)意義。