Effect of Machine Smoking Intensity and Filter Ventilation Level on Gas-Phase Temperature Distribution Inside a Burning Cigarette

Abstract

Accurate measurements of cigarette coal temperature are essential to understand the thermophysical and thermo-chemical processes in a burning cigarette. The last system-atic studies of cigarette burning temperature measurements were conducted in the mid-1970s. Contemporary cigarettes have evolved in design features and multiple standard machine-smoking regimes have also become available, hence there is a need to re-examine cigarette combustion. In this work, we performed systematic measurements on gas-phase temperature of burning cigarettes using an improved fine thermocouple technique. The effects of machine-smoking parameters (puff volume and puff duration) and filter ventilation levels were studied with high spatial and time resolutions during single puffs. The experimental results were presented in a number of differ-ent ways to highlight the dynamic and complex thermal processes inside a burning coal. A mathematical distribution equation was used to fit the experimental temperature data. Extracting and plotting the distribution parameters against puffing time revealed complex temperature profiles under different coal volume as a function of puffing intensities or filter ventilation levels. By dividing the coal volume prior to puffing into three temperature ranges (low-temperature from 200 to 400 °C, medium-temperature from 400 to 600 °C, and high-temperature volume above 600 °C) by following their development at different smoking regimes, useful mechanistic details were obtained. Finally, direct visualisation of the gas-phase temperature through detailed temperature and temperature gradient contour maps provided further insights into the complex thermo-physics of the burning coal. [Beitr. Tabakforsch. Int. 26 (2014) 191-203]

Alternate abstract:

Präzise Messungen der Temperatur der Zigarettenkohle sind unabdingbar, um die thermophysikalischen und thermochemischen Prozesse in einer brennenden Zigarette verstehen zu können. Die letzten systematischen Studien zu Temperaturmessungen bei brennenden Zigaretten wurden Mitte der 1970er Jahre durchgeführt. Die heutigen Zigaretten haben sich in ihren Konstruktionsmerkmalen weiter-entwickelt und es stehen inzwischen mehrere Standard-protokolle für Rauchmaschinen zur Verfügung. Daher muss die Zigarettenverbrennung neu untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden mithilfe einer verbesserten Feindraht-Thermoelement-Technik systematische Messungen der Temperatur der Gasphase von brennenden Zigaretten durchgeführt. Die Auswirkungen maschineller Abrauchparameter (Zugvolumen und Zugdauer) sowie des Filterventilationsgrads wurden mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung während einzelner Züge untersucht. Die Versuchsergebnisse wurden auf verschiedene Arten präsentiert, um die dynamischen und komplexen ther-mischen Prozesse in der brennenden Kohle herauszustellen. Die experimentellen Temperaturdaten wurden in eine mathematische Verteilungsgleichung eingefügt. Die Extraktion und Darstellung der Verteilungsparameter in Gegenüberstellung zur Zugzeit ergaben komplexe Tempe-raturprofile bei unterschiedlichem Kohlevolumen in Abhängigkeit von der Zugintensität bzw. dem Grad der Filterventilation. Durch eine Unterteilung des Kohlevolu-mens vor dem Ziehen in drei Temperaturbereiche (niedrig von 200 bis 400 °C, mittel von 400 bis 600 °C und hoch über 600 °C) und durch die Untersuchung ihrer Entwick-lung bei unterschiedlichen Rauchprotokollen wurden hilfreiche mechanistische Daten erhoben. Die direkte Visualisierung der Gasphasentemperatur durch detaillierte Temperatur- und Temperaturgradienten-Konturkarten lieferte weitere Erkenntnisse zur komplexen Thermophysik brennender Kohle. [Beitr. Tabakforsch. Int. 26 (2014) 191-203]