片煙原料在低溫條件下的熱物理性質(zhì)測試

魏紫薇　郝瑞　陳書軍　崔妍　顏井坤　于承龍　彭博　王廷

摘 要：利用熱物性測量系統(tǒng)，測量了片煙原料在低溫（-30℃-20℃）、高堆積密度（0.43g/cm3?）條件下的熱物理性質(zhì)，包括比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)等三種常數(shù)。實驗表明，在預(yù)定實驗條件范圍內(nèi)，三種片煙原料的熱物性數(shù)值相近，隨溫度變化的規(guī)律相似。具體來說，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高有升高趨勢，各溫度梯度下多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分布在0.0867W/mK到0.0936W/mK范圍內(nèi);熱擴散系數(shù)隨溫度升高有下降趨勢，多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分布在0.1189mm2/s到0.1537mm2/s范圍內(nèi);體積熱容隨溫度升高呈現(xiàn)明顯上升趨勢，多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分布在0.5943MJ/m3K到0.8067MJ/m3K范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：片煙;熱物理性質(zhì);溫度;堆積密度

一、背景和意義

卷煙生產(chǎn)中，各種原輔材料的的庫存和轉(zhuǎn)運是生產(chǎn)的重要一環(huán)。在此過程中，各種原料和輔料的溫度受存放環(huán)境或運輸過程溫度的影響而不同。具體到東北地區(qū)，冬季溫濕度極低，最低溫度可達零下三十度。這種極端氣候造成在常溫庫中存放（或從外地調(diào)運來）的生產(chǎn)原物料（片煙原料、成品絲原料、及膨脹煙絲），其內(nèi)部溫度極低（一般-10℃以下），不適于立即投入生產(chǎn)，必須在車間或暖庫中緩存，待其包心溫度回復(fù)到一定的終端溫度后才能投入生產(chǎn)加工。該過程的數(shù)學(xué)描述需要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持，如初始條件（緩存環(huán)境溫度、初始煙包溫度），和熱物理性質(zhì)（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)等常數(shù)）。

現(xiàn)階段文獻報道的煙草熱物性，大多是在常溫條件下進行測試的，部分文獻出于對加熱非燃燒煙草（新型煙草）的研究目的而測定了高溫（100-300）條件下的熱物理性質(zhì)，低溫（-30～20）條件下的數(shù)據(jù)尚未見報道。

所以，有必要先取得所涉范圍（-30～20）內(nèi)的熱物性常數(shù)取值，為緩存溫度變化模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、片煙熱物理性質(zhì)的測定

由于片煙煙包體積大和堆積密度高的特點，其傳熱很慢，一般情況下難以預(yù)測其溫度變化過程。需要在獲得初始條件和熱物理性質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，建立緩存溫度變化模型以預(yù)測其溫度變化過程。

在已知初始條件后，物料在不同時刻的溫度值，與其自身性質(zhì)（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)等常數(shù)）相互關(guān)聯(lián)。一方面，不同時刻的溫度是物料熱物性的函數(shù)，即物料的升溫或降溫過程決定于環(huán)境溫度和物料熱物理性質(zhì)（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)等常數(shù)）;另一方面，其熱物性常數(shù)雖為“常數(shù)”，但該值一般也是溫度的函數(shù)，即溫度不同，該常數(shù)取不同的數(shù)值。如前所述，低溫條件下的數(shù)據(jù)尚未見文獻報道，實際數(shù)據(jù)需要測試取得。

2.?1?實驗材料

2.2實驗儀器

熱物性測量系統(tǒng)由適用于不同溫度區(qū)間的熱物性測量實驗裝置、HotDisk熱常數(shù)分析儀、電腦組成，測試系統(tǒng)具有可控溫度范圍大，控溫精度高等優(yōu)點。

測試時，待測樣品置于樣品倉中，樣品倉置于水浴（0～20℃）或定溫冰箱（-30～0℃）中。待樣品倉溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度后，進行測量。

2.3?實驗方法

選定三種片煙原料，分別為黑龍江牡丹江B3F、湖南永州C3F和黑龍江哈爾濱X2L;將片煙水分平衡調(diào)節(jié)到11%左右;模擬實際煙包內(nèi)片煙狀態(tài)，將樣品堆積密度設(shè)定為0.43g/cm3;在-30℃至20℃之間設(shè)定六個溫度梯度，分別為-30℃、-20℃、-10℃、3℃、10℃、20℃，待樣品倉溫度達到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，連接測量電路，打開計算機和HotDisk熱常數(shù)分析儀，進行測量、記錄。每個條件下重復(fù)測量三次，取平均值。實驗計劃如表1所示。

三、結(jié)果與分析

將測量結(jié)果數(shù)據(jù)作圖，如圖1-圖3所示。

如圖所示，總體上，在預(yù)定實驗條件范圍內(nèi)，三種片煙原料的熱物性在數(shù)值是相近的，隨溫度變化的規(guī)律是相似的，具體如下。

導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高有升高趨勢，各溫度梯度下多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分布在0.0867W/mK到0.0936W/mK范圍內(nèi);熱擴散系數(shù)隨溫度升高有下降趨勢，多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分布在0.1189mm2/s到0.1537mm2/s范圍內(nèi);體積熱容隨溫度升高呈現(xiàn)明顯上升趨勢，多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分布在0.5943MJ/m3K到0.8067MJ/m3K范圍內(nèi)。

綜合所測數(shù)據(jù)，在-30℃至20℃的范圍內(nèi)，各傳熱物理性質(zhì)常數(shù)變化幅度不大。在一般工程計算中，為簡化計算過程，可取臨近溫度的數(shù)值作為固定常數(shù)，也可取變溫范圍內(nèi)的平均值作為計算值使用。

四、小結(jié)

綜合所測數(shù)據(jù)，在-30℃至20℃的范圍內(nèi)，各傳熱物理性質(zhì)常數(shù)變化幅度不大。在一般工程計算中，為簡化計算過程，可取臨近溫度的數(shù)值作為固定常數(shù)，也可取變溫范圍內(nèi)的平均值作為計算值使用。

（作者單位：黑龍江煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江?哈爾濱?150000）