一种单位时间雾化量更优的雾化芯设计方法与流程

本发明属于雾化芯设计，具体涉及一种单位时间雾化量更优的雾化芯设计方法。

背景技术：

1、目前针对电子烟雾化芯的外形，多是提出一个对应形状的雾化芯并根据该雾化芯来设计对应的雾化弹内部的结构，较少会提及为什么要将雾化芯外形设计成这个形状，也较少会对如何设计一款雾化性能优异的雾化芯进行相应的方法指导，方便后续雾化芯外形设计者高效地设计出一款性能优异的雾化芯。

2、此外，影响雾化芯雾化性能实际上不仅仅是雾化芯自身的外形，雾化芯的材料对于雾化芯雾化性能也有较大的影响。目前针对雾化芯材料方面大多集中在介绍新雾化芯材料能够解决目前雾化芯材料在实际工作过程中的哪些问题，能够提升雾化芯哪些方面的性能，但对于如何设计出相对雾化性能更优的雾化芯以及应该按照什么方法去设计性能更优异的雾化芯方面依旧较为欠缺。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种单位时间雾化量更优的雾化芯设计方法。本发明较为明确地根据实际设计要求设计出性能更优异的雾化芯外形以及选择合适的雾化芯材料，适用于与各种外形以及材料的雾化芯设计。

2、本发明采用的技术方案是：

3、1、一种单位时间雾化量更优的雾化芯设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、s1、确定局部对流传质系数；

5、在电子烟实际抽吸过程中，雾化芯表面会有空气流过，雾化芯孔隙内的雾化液会向外扩散从而产生质量损失；由于这一对流传质现象是基于分子随机渗透引起的质扩散现象，而物体的导热也是由于分子随机碰撞引起热扩散而产生的，二者都是分子随机运动引起的扩散效应，因此菲克类比了计算热传导的傅里叶定律提出了计算对流传质质流密度的菲克定律，如下式(1)所示：

6、

7、其中：ni,0表示烟气组分i在雾化芯壁面附近的质流密度，ci表示烟气组分i的在雾化芯壁面的质量浓度；d表示烟气组分i在外界空气中的质扩散系数，表示烟气组分i在外法线方向的浓度梯度；

8、将式(1)写成类似牛顿冷却定律的形式，其中包含烟气各组分在雾化芯表面处的浓度与浓度边界层外无穷远处的浓度差的形式，可推得下式(2)：

9、

10、其中：d表示烟气组分i在外界空气中的质扩散系数，ci,0表示在雾化芯壁面附近的烟气i组分的浓度，ci,∞表示在浓度边界层外无穷远处的烟气i组分的浓度；

11、类比对流换热系数的定义式，我们可以得到雾化芯表面处的对流传质系数hd,i的定义式(3)为：

12、

13、s2、计算雾化芯表面的局部雾化质量；

14、类比与计算热对流的牛顿冷却定律，可以得到计算单位时间内雾化芯表面局部各处的对流传质质量损失的计算公式，具体如下式(4)所示：

15、

16、其中：aintre表示雾化芯局部各处的对流传质面积；

17、s3、计算雾化芯表面的整体雾化质量；

18、对步骤s2中的式(4)表示的局部雾化质量进行面积分，得到雾化芯整个表面单位时间的雾化量，具体计算如下式(5)所示：

19、

20、其中：表示雾化芯表面平均对流传质系数，表示烟气组分i在雾化芯表面的平均浓度，as表示雾化芯对流传质表面面积；针对雾化芯表面平均对流传质系数的计算，类比于平均对流传热系数的计算公式，得到以下计算公式(6)：

21、

22、其中：sh表示外界气流流动的舍伍德数，di表示烟气组分i在外界空气中的质扩散系数，l表示模型的特征长度；

23、类比于计算平均努塞尔数的经验公式，将平其中的普朗特数替换成施密特数，得到了计算平均舍伍德数的经验公式，其中针对平均努塞尔数的计算，采用经验公式(7)进行计算，具体如下所示：

24、

25、其中：表示雾化芯表面外空气的平均雷诺数，pr表示烟气的普朗特数；

26、在实际雾化芯表面发生的对流传热、传质过程中，由于雾化芯表面烟气的浓度边界层和温度边界层可近似认为一致，从而可以推得pr＝sc，且根据实践经验表明，除了很轻的气体如氢、氦之外，一般的气体混合物都可以假设其le＝pr/sc≈1，表征热扩散能力和质扩散能力相同；

27、因此将上式(7)中计算平均努塞尔数的普朗特数替换成施密特数即可得到表征对流传质能力的平均舍伍德数的计算公式，具体如下式(8)所示：

28、

29、其中：sc表示外界空气的施密特数；

30、通过上式(8)可以计算得到雾化芯表面烟气的平均舍伍德数，代入到公式(6)中即可得到雾化芯表面的平均对流传质系数，将该传质系数代入公式(5)中即可计算得到雾化芯表面的整体雾化质量。

31、进一步的，所述雾化芯包括雾化芯输运段和雾化芯加热段，所述雾化芯输运段布置在雾化芯加热段的上部，并且所述雾化芯输运段主体部分呈水平布置，加热段主体部分呈竖直布置，利用雾化液自身的重力便利雾化液到达雾化芯加热段的各处，所述雾化芯输运段利用多孔介质的毛细压力将雾化液从外界吸入至雾化芯孔隙内；所述雾化芯加热段表面布置电加热丝，在外界电加热丝的加热作用下，雾化芯加热段孔隙内的雾化液会受热雾化形成烟气。

32、进一步的，通过拟合得到雾化芯材料密度以及定压比热容这两个雾化芯物性参数对雾化芯单位时间雾化量性能指标影响的计算经验公式，具体如下式(9)所示：

33、

34、其中，ω表示雾化芯材料的雾化性能指标，ρ表示雾化芯材料的密度，单位为kg/m3；cp表示雾化芯材料的定压比热容，单位为j/(kgk)；

35、针对工程中实际选用雾化芯材料，可将对应材料的物性参数代入公式(9)计算得到对应的指标大小，挑选影响指标最大的雾化芯材料。

36、本发明通过平均努塞尔数的计算公式可以发现，对流传质系数主要受到外界流体的流动情况以及流体自身的施密特数、密度、粘度等物性参数的影响。由于在实际电子烟工作过程中，流经雾化芯表面的均为外界空气且外界空气的流速也较为确定，对流传质系数也较为确定，因此要想提高单位时间雾化芯的雾化量，我们需要在有限的体积内尽可能提高雾化芯的对流换热面积。

37、由于实际雾化芯外形设计过程中受限于雾化弹体积的限制，因此无法通过增加雾化芯的体积来增大对流传质面积，因此如何提高雾化芯外形的比表面积对于如何设计出一款单位时间雾化量更优的雾化芯显得非常重要。

38、由于电子烟雾化芯是一种多孔陶瓷模型，因此在设计雾化芯模型时雾化芯模型的孔隙率(雾化芯内孔隙体积与雾化芯整体体积的比值)对于雾化芯整体的性能表面也会有较大的影响，我们通过我们的理论模型对比了相同工况下不同孔隙率的雾化芯模型单位时间的雾化量发现当孔隙率在0.4-0.5时，雾化芯模型单位时间的雾化量性能较为优异。

39、与现有技术存在，本发明的有益效果体现在：

40、1、由于雾化芯内孔隙的毛细压力有限，因此当出现局部温度过高、雾化量较大时较容易出现干烧的情况，因此本发明将雾化芯的输运段布置在加热段的上部，雾化芯输运段主体部分水平布置、加热段主体部分竖直布置，利用雾化液自身的重力便利雾化液到达雾化芯加热段的各处，提高雾化芯整体单位时间的雾化量。

41、2、本发明基于雾化过程的原理及对流传热、传质理论基础，提出了一种可以实现在单位时间内雾化量更优的雾化芯设计方法，该方法弥补了目前电子烟外形设计以及雾化芯设计技术中对如何指导设计雾化芯外形和材料的空白。

42、3、本发明方法易于实现，设计门槛要求低，有利于推广应用，此外，该方法不仅仅可应用于电子烟雾化芯的雾化，对于其他表面受热雾化问题也具有参考指导意义。