卷烟燃吸过程温度分布的检测与表征

摘要

卷烟的燃吸温度分布是研究卷烟燃烧机理和烟气成分生成机制的基础，为了解决前人研究中存在的一些关键问题，本文建立了卷烟燃吸温度分布的检测与表征方法，主要包括以下几个方面：为了提高了检测设备的自动化程度及温度数据的处理效率，本论文完善了卷烟燃吸温度分布检测系统，主要包括：在热电偶插入前利用卷烟预打孔装置进行打孔，有效解决了热电偶易折损、卷烟易变形问题；利用红外定位器和螺旋测微器进位装置对热电偶进行定位，有效解决了热电偶的轴向与径向精确定位问题；将热电偶模块化，可减少对热电偶的操作，有利于提高热电偶使用寿命：保证热电偶之间的相对位置保持不变，有利于提高实验的重复性；通过负压联动机制使温度数据采集系统与吸烟机联用，吸烟机抽吸时产生负压，激活温度数据采集系统，使抽吸与数据采集同步进行，降低人为因素影响；数据采集系统工作稳定，数采频率、数采时刻等可灵活设置，可以满足不同的实验需求；数据前处理系统可对温度数据进行前处理；数据插值系统可对温度数据进行插值计算，可以观察到卷烟燃烧锥内部温度分布的动态变化，并可通过进一步对温度分布的数字化分析得到对应区域的面积、体积信息。
　　 本论文建立了卷烟燃吸温度分布的检测方法，主要包括：确定了卷烟温度分布检测点的位置，轴向位置为距离卷烟点燃端22～36mm，热电偶间距为2mm，径向位置为将卷烟直径方向等分为9个梯度，由于卷烟沿自身中轴线对称，实际检测时只需检测由卷烟表面至中轴线的5个梯度，其余部分用和它对称部分的温度数据，如此可得到72个网格点的温度数据，进一步插值计算可得到卷烟的温度分布；以温度为基准确定抽吸时刻，有效解决了燃烧线法带来的灵敏度较低且抽吸时刻不易判断的问题：确定了实验重复次数为4次，此时，检测结果的相对标准偏差为4.Og％，小于5％，表明检测结果的重复性良好。
　　 本论文建立了卷烟燃吸温度数据的前处理方法，主要包括：对于静燃过程，利用费马点平移法对温度数据进行预处理，有效提高了温度曲线的重合度，解决了温度数据离散程度较大的问题(RSD=0.08)，插值分析结果表明，费马点平移法将平均相对误差由直接平均法的15.40％降低至9.86％；对于抽吸过程，利用定值平移平均法对温度数据进行预处理，此方法是针对以温度为基准确定抽吸时刻的检测方法而建立的，有效解决了温度曲线的抽吸峰在时间轴上的偏移问题。
　　 本论文确定了卷烟燃吸温度分布的表征方法：确定了温度分布的最优插值方法，不同的空间插值方法适用于不同检测点数量及数据空间变化特性，对于卷烟的燃吸温度分布，克里格插值法最为适用，所得温度分布曲线平滑，插值精度较高，平均相对误差为9.86％；丰富了温度分布的分析手段，对温度分布图进行数字化分析，提取了特征温度区域的面积信息，并在此基础上进一步计算得到其体积信息，更能够真实反映卷烟燃烧锥内部的温度分布情况，为深入开展卷烟的燃烧机理及烟气成分生成机制研究提供数据支持。
　　 另外，本论文分析了不同因素对卷烟燃吸温度分布的影响：对于不同助燃剂含量卷烟，助燃剂含量的增加有助于提高200t以上温度区域的总体体积，但其对于700℃以上最高温度区域影响规律不明显；对于不同含水率卷烟，随着含水率的增加，200℃以上温度区域的总体体积呈减小趋势；对于不同透气度卷烟，随着卷烟纸透气度的增加，200℃以上温度区域的总体体积呈增大趋势,500℃以上温度区域体积呈先增大后减小趋势；抽吸前各温度区域的体积基本不变，抽吸过程中各温度区域的体积表现不同，对于200～400℃温度区域，抽吸时其体积迅速减小，之后逐渐增加并趋于平稳，对于400～700℃温度区域，抽吸时其体积迅速增加，之后逐渐减小并趋于平稳。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 卷烟烟气成分的研究现状

1．2 卷烟燃烧温度的研究现状

1．3 课题的研究目的与研究内容

第二章 卷烟燃吸温度检测设备与方法

2．1 温度检测设备的硬件组成

2．1．1 卷烟预打孔装置

2．1．2 热电偶夹持装置

2．2 温度检测设备的软件组成

2．2．1 温度数据采集系统

2．2．2 温度数据预处理系统

2．2．3 温度数据插值分析系统

2．3 温度数据检测方法

2．3．1 样品处理

2．3．2 热电偶的响应时间

2．3．3 卷烟温度检测位置的确定

2．3．4 抽吸过程抽吸时刻的确定

2．3．5 实验重复次数的确定

2．4 小结

第三章 卷烟燃吸温度分布数据前处理方法

3．1 材料和仪器

3．2 静燃过程温度数据前处理方法

3．2．1 数据前处理方法

3．2．2 温度曲线比较

3．2．3 温度分布比较评价

3．2．4 结果误差比较评价

3．3 抽吸过程温度数据前处理方法

3．3．1抽吸温度数据前处理方法

3．4 小结

第四章 卷烟燃吸温度分布的表征方法

4．1 常用数据插值方法

4．1．1 连线法

4．1．2 最邻近点插值法

4．1．3 改进谢别德法

4．1．4 克里格插值法

4．1．5 双三次插值法

4．1．6 径向基函数法

4．2 插值方法的选择

4．2．1 插值方法比较分析

4．2．2 抽吸过程中温度分布变化

4．3 基于温度分布的信息提取

4．3．1 基于温度分布的信息提取

4．3．2 抽吸过程中各温度区域体积变化

4．4 小结

第五章 温度分布检测与表征方法的应用

5．1 试验样品的制备

5．2 不同助燃剂含量卷烟的燃吸温度分布

5．2．1 抽吸前的卷烟燃吸温度分布

5．2．2 抽吸1s时的卷烟燃吸温度分布

5．2．3 抽吸2s时的卷烟燃吸温度分布

5．2．4 抽吸后2s时的卷烟燃吸温度分布

5．2．5 不同助燃剂含量卷烟燃吸过程中的体积变化

5．3 不同含水率卷烟的燃吸温度分布

5．3．1 抽吸前的卷烟燃吸温度分布

5．3．2 抽吸1s时的卷烟燃吸温度分布

5．3．3 抽吸2s时的卷烟燃吸温度分布

5．3．4 抽吸后2s时的卷烟燃吸温度分布

5．3．5 不同含水率卷烟燃吸过程中的体积变化

5．4 不同透气度卷烟的燃吸温度分布

5．4．1 抽吸前的卷烟燃吸温度分布

5．4．2 抽吸1s时的卷烟燃吸温度分布

5．4．3 抽吸2s时的卷烟燃吸温度分布

5．4．4 抽吸后2s时的卷烟燃吸温度分布

5．4．5 不同透气度卷烟燃吸过程中的体积变化

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 论文创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介

致谢