片烟原料在低温条件下的热物理性质测试
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摘 要：利用热物性测量系统，测量了片烟原料在低温（-30℃-20℃）、高堆积密度（0.43g/cm3 ）条件下的热物理性质，包括比热容、导热系数、热扩散系数等三种常数。实验表明，在预定实验条件范围内，三种片烟原料的热物性数值相近，随温度变化的规律相似。具体来说，导热系数随温度升高有升高趋势，各温度梯度下多次测量结果的数据分布在0.0867W/mK到0.0936W/mK范围内;热扩散系数随温度升高有下降趋势，多次测量结果的数据分布在0.1189mm2/s到0.1537mm2/s范围内;体积热容随温度升高呈现明显上升趋势，多次测量结果的数据分布在0.5943MJ/m3K到0.8067MJ/m3K范围内。
关键词：片烟;热物理性质;温度;堆积密度
一、背景和意义
卷烟生产中，各种原辅材料的的库存和转运是生产的重要一环。在此过程中，各种原料和辅料的温度受存放环境或运输过程温度的影响而不同。具体到东北地区，冬季温湿度极低，最低温度可达零下三十度。这种极端气候造成在常温库中存放（或从外地调运来）的生产原物料（片烟原料、成品丝原料、及膨胀烟丝），其内部温度极低（一般-10℃以下），不适于立即投入生产，必须在车间或暖库中缓存，待其包心温度回复到一定的终端温度后才能投入生产加工。该过程的数学描述需要基础数据的支持，如初始条件（缓存环境温度、初始烟包温度），和热物理性质（比热容、导热系数、热扩散系数等常数）。
现阶段文献报道的烟草热物性，大多是在常温条件下进行测试的，部分文献出于对加热非燃烧烟草（新型烟草）的研究目的而测定了高温（100-300）条件下的热物理性质，低温（-30～20）条件下的数据尚未见报道。
所以，有必要先取得所涉范圍（-30～20）内的热物性常数取值，为缓存温度变化模型提供基础数据。
二、片烟热物理性质的测定
由于片烟烟包体积大和堆积密度高的特点，其传热很慢，一般情况下难以预测其温度变化过程。需要在获得初始条件和热物理性质等基础数据后，建立缓存温度变化模型以预测其温度变化过程。
在已知初始条件后，物料在不同时刻的温度值，与其自身性质（比热容、导热系数、热扩散系数等常数）相互关联。一方面，不同时刻的温度是物料热物性的函数，即物料的升温或降温过程决定于环境温度和物料热物理性质（比热容、导热系数、热扩散系数等常数）;另一方面，其热物性常数虽为“常数”，但该值一般也是温度的函数，即温度不同，该常数取不同的数值。如前所述，低温条件下的数据尚未见文献报道，实际数据需要测试取得。
2. 1 实验材料
2.2实验仪器
热物性测量系统由适用于不同温度区间的热物性测量实验装置、HotDisk热常数分析仪、电脑组成，测试系统具有可控温度范围大，控温精度高等优点。
测试时，待测样品置于样品仓中，样品仓置于水浴（0～20℃）或定温冰箱（-30～0℃）中。待样品仓温度稳定在设定温度后，进行测量。
2.3 实验方法
选定三种片烟原料，分别为黑龙江牡丹江B3F、湖南永州C3F和黑龙江哈尔滨X2L;将片烟水分平衡调节到11%左右;模拟实际烟包内片烟状态，将样品堆积密度设定为0.43g/cm3;在-30℃至20℃之间设定六个温度梯度，分别为-30℃、-20℃、-10℃、3℃、10℃、20℃，待样品仓温度达到设定温度并稳定后，连接测量电路，打开计算机和HotDisk热常数分析仪，进行测量、记录。每个条件下重复测量三次，取平均值。实验计划如表1所示。
三、结果与分析
将测量结果数据作图，如图1-图3所示。
如图所示，总体上，在预定实验条件范围内，三种片烟原料的热物性在数值是相近的，随温度变化的规律是相似的，具体如下。
导热系数随温度升高有升高趋势，各温度梯度下多次测量结果的数据分布在0.0867W/mK到0.0936W/mK范围内;热扩散系数随温度升高有下降趋势，多次测量结果的数据分布在0.1189mm2/s到0.1537mm2/s范围内;体积热容随温度升高呈现明显上升趋势，多次测量结果的数据分布在0.5943MJ/m3K到0.8067MJ/m3K范围内。
综合所测数据，在-30℃至20℃的范围内，各传热物理性质常数变化幅度不大。在一般工程计算中，为简化计算过程，可取临近温度的数值作为固定常数，也可取变温范围内的平均值作为计算值使用。
四、小结
综合所测数据，在-30℃至20℃的范围内，各传热物理性质常数变化幅度不大。在一般工程计算中，为简化计算过程，可取临近温度的数值作为固定常数，也可取变温范围内的平均值作为计算值使用。
（作者单位：黑龙江烟草工业有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000）
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