【NSCs科学】电磁加热烟具多物理场建模及仿真研究

低温加热不燃烧卷烟包括直接电阻丝加热和线圈磁场感应发热片加热两种加热方式。线圈磁感应加热技术是目前一种先进的加热技术应用，和电阻丝加热相比较存在加热速度快、功率较低等优势，消费者体验感会较大提升。目前国内技术整体处于技术储备和研发阶段，距离产业化还有一定差距，主要存在加热参数、结构参数、续航能力等方面还存在缺陷。

线圈电磁加热烟具在工作过程中，“热”的传递方式有三种：传导、对流和辐射。在线圈电磁感应加热过程中涉及到了线圈直径、匝数、加热器材料参数（如导热系数、比热容、电导率等）、自然对流和强制对流下对流换热系数对加热器上温度场分布的影响。

近期，为了更好、更快捷研究电加热不燃烧卷烟加热器在加热状态下温度场分布的特性，我们烟草行业工艺重点实验室李斌博士团队与云南中烟、昆明理工大学的自动化团队合作。选用COMSOL Multiphysics仿真软件开展不同结构尺寸、材质的微型加热器在空载传热过程中，电磁加热烟具电磁场、温度场等多物理场仿真分析。以期优化现有产品性能，提升客户体验感，为加热器的优化设计提供参考。

烟支模型的加热结构及材料参数：

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图1 加热部分结构设计示意图

表1 加热棒材料和杯体隔热材料

用途	材料名称
加热棒材料	低碳钢/ 坡莫合金1J85/铁镍合金
隔热材料	PEEK隔热材料/ 陶瓷高温隔热材料/ 纳米微孔隔热材料

表2 不同线圈参数明细

参数	数值
线圈匝数（单绕）	8 / 10 / 12
线圈丝直径	0.98 mm
烟杯直径	7.6 / 7.8 / 10.0 mm

当加热片采样点温度达300℃最高温时，上述9种材料组合下的温度场分布模拟结果表明：加热片材料为低碳钢，平均温度较高，铁镍合金、坡莫合金平均温度略低，但各部位温差较小；隔热材料为PEEK材料时，杯体外部温度较低，隔热效果较好。

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图2 不同材料组合时温度场分布图

线圈匝数分别为8、10、12匝时，加热片磁场温度场和升温曲线模拟结果表明：线圈匝数越多升温时间越短，所需能量越少，但在有限空间内12匝基本接近上限，匝数选择12匝最合适。

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图3 三种不同线圈匝数时加热片磁场温度场和升温曲线图

烟杯分别为7.6mm、7.8mm、8.0mm时，加热片磁场温度场和升温曲线模拟结果表明：不同烟杯直径升温时间接近，都能满足要求，但随着烟杯直径变大发热效率在降低。

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图4 三种不同烟杯直径的加热片磁场温度场和升温曲线图

该研究工作从加热器传热机理出发，深入分析研究整个加热器在不同运行工况下温度分布情况，最终获得电加热不燃烧型卷烟加热器温度场的变化规律。通过仿真模拟，不仅能够实现对不同结构的加热器模型温度分布进行研究，还能实现对不同工作电压条件下加热器温度场分布的模拟，判断温度场分布趋势，得到较为准确的模拟真实值。可为后续电加热不燃烧型卷烟加热器优化与设计提供理论和实验指导，也可为后续产品传热机理深入分析、温度精准控制和能耗优化管理提供理论和实验支撑，进一步推进国内电磁感应加热卷烟产品的研发及应用进程。

相关工作以《电磁加热烟具多物理场建模及仿真研究》为题，发表于《新烟》杂志第4期（2021年10月）。

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原文始发于微信公众号（烟草工艺学术交流）：【NSCs科学】电磁加热烟具多物理场建模及仿真研究

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