Подробное руководство по вейпингу. Часть 2

Это вторая публикация Роберто Сассмана из целой серии публикаций, описывающих принцип работы вейпов, генерируемого аэрозоля, его свойства, оптимальный режим работы, условия перегрева и драйхита, а также сравнение с табачным дымом и другими аэрозолями.

Понимание того, как образуются, действуют и как можно тестировать аэрозоли для электронных сигарет, дает знания, необходимые для понимания того, насколько приятно их использовать, насколько они токсичны или насколько безопасны по отношению к табачному дыму, другим аэрозолям и загрязняющим веществам.

Эти знания укрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

Часть 2

Как было написано в первой части, выброс пара — аналог аэрозоля, появляющегося при кипячении воды в чайнике. Это аэрозоль на основе жидкости, образование которого включает два фазовых перехода: испарение и конденсацию. Аэрозоль вейпа также включает низкоэнергетические реакции «термической деградации» от нагрева жидкости, производящей побочные продукты, которые обнаруживаются в незначительных количествах при «нормальных» рабочих условиях.

В этом части подробно объясним, как эти «нормальные» рабочие условия возникают из тепловых физических процессов, происходящих во время парения, на основе компромисса между выделяемой и поглощаемой энергией. Эти условия определяют «оптимальный режим», который можно протестировать в лаборатории.

Физические процессы при парении

При нормальном кипении при соответствующих «оптимальных» физических параметрах (мощность, поток воздуха, сопротивление, поток воздуха, температура) парение доставляет удовольствие пользователям. И ~ 99% массы аэрозоля как в газообразной фазе, так и в каплях состоит из растворителей PG, VG, никотина и водяного пара, а побочные продукты (из растворителей и ароматизаторов) присутствуют в незначительных количествах.

Пользователи руководствуются (часто методом проб и ошибок) своим сенсорным восприятием, чтобы оценить, когда парение доставляет удовольствие. То есть «нормально» или «оптимально». Однако есть ли научная основа для определения «оптимального» режима парения? Да, продолжайте читать.

Использование вейп-устройства можно понимать с точки зрения теплофизики (теплообмена) как циклический (за затяжку) баланс энергообмена, состоящий в следующих процессах, которые происходят при каждой затяжке, близкой к тепловому равновесию. Эти процессы:

1. Жидкость для электронных сигарет поступает в хлопковый фитиль.
2. Энергия (тепло) поступает от аккумулятора и передается в проволоку намотки.
3. Часть энергии используется (выделяется) для нагрева жидкости в фитиле за счет теплопроводности, чтобы довести ее до температуры кипения. Часть используется (поглощается) для испарения жидкости (скрытая теплота испарения).
4. Почти одновременно пользователь вдыхает, оказывая принудительную конвекцию на пары жидкости (энергия поглощается), охлаждая и конденсируя их, образуя аэрозоль.
5. Не вся энергия (тепло) используется. Все эти процессы оставляют (высвобождают) остаточную энергию, содержащуюся в испарителе, которая нагревает спираль, жидкость, паровоздушную смесь и стенки устройства.
6. Остаточная энергия увеличивает скорость капиллярности жидкости в фитиле.

Их можно проиллюстрировать графически (следуйте цифрам, указанным на рисунках 1 и 2 ниже):

Рисунок 1. Тепловые процессы при парении

Поскольку процессы не происходят в условиях теплового равновесия и не являются на 100% эффективными, они рассеивают энергию (остаточное тепло) при каждом цикле затяжки. Но в оптимальных условиях остаточное тепло не создает проблем.

Параметры парения для лабораторных испытаний

Вейперам не нужно знать физику или химию, чтобы интуитивно (руководствуясь своими чувственными восприятиями) оценить выполнение этого энергетического баланса, часто методом проб и ошибок. Отдельные вейперы ощущают необходимость регулировки различных параметров: интенсивности вдыхания, подаваемой мощности, сопротивления испарителя, уровня никотина.

Вдыхание можно понимать как скорость воздушного потока (миллилитров в секунду). Устройства разработаны с узкими или широкими мундштуками для облегчения или усложнения вдыхания. Диаметр мундштука контролирует его сопротивление воздуху (легкость всасывания при вдохе, как с соломинкой). Существует лабораторно проверенная физическая связь между сопротивлением воздуха мундштука и потоком воздуха, проходящим через него, которая четко определяет интенсивность вдыхания в устройствах для вейпинга. Это отображено на этом графике сопротивления воздуха и потока воздуха:

Рисунок 2. Соулет, С и др. https://doi.org/10.3390/app11115254

Как показано на рисунке выше, низкое сопротивление воздуха и широкие мундштуки, а значит, и большой расход воздуха (около 10 л/мин), облегчают парение мощных устройств (>40 Вт). Напротив, высокое сопротивление воздуха и узкие мундштуки, а значит, и малый расход воздуха (1-2 л/мин), облегчают парение маломощных устройств и картриджей (<20 Вт).

Соотношение сопротивления воздуха и скорости воздушного потока идеально соответствует двум основным стилям парения: «изо рта в легкие» (низкая мощность) и «прямо в легкие» (высокая мощность). Конечно, это соотношение не является абсолютным для всех вейперов. Но оно четко описывает «зону комфорта» большинства пользователей. Очевидно, что существует промежуточный диапазон между устройствами высокой и низкой мощности и низким/высоким сопротивлением воздуха и скоростью воздушного потока (который также можно изменить с помощью вентиляционных отверстий).

Литиевые батареи, используемые во всех вейпах, имеют одинаковое напряжение V. Из закона Ома:

Поэтому для постоянного V мы должны иметь высокое сопротивление спирали (R > 1 Ом) при низкой мощности (< 20 Вт) и низкое сопротивление спирали (R < 1 Ом) при высокой мощности (> 40 Вт). Это показано на графике ниже:

Рисунок 3. Отношение мощности к сопротивлению

Аналогичная обратная зависимость существует между концентрацией никотина и подаваемой мощностью, которая пропорциональна объему затяжки.

Таким образом, чтобы вдыхать примерно постоянную массу никотина, низкая мощность (маленький объем затяжки) идет с высокой концентрацией никотина, в то время как высокая мощность (большой объем затяжки) идет с низкой концентрацией никотина. Вейперы знают это, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 4. Зависимость между концентрацией никотина и мощностью устройства

Выбор вкусов и соотношение PG/VG также являются важными факторами, влияющими на соотношение энергопотребления и предпочтительный тип устройства.

Рисунки 2-4 иллюстрируют, как интуитивно понятные вейперами параметры парения следуют из законов сохранения, которые управляют связью между вдыханием, мундштуками, спиралями, подаваемой мощностью и уровнями никотина. Учитывая количество параметров, связанных с парением, и широкую индивидуальную изменчивость, возникает вопрос: возможен ли стандарт лабораторного тестирования?

Очевидно, что потребительское использование не может быть воспроизведено в лаборатории, поскольку для того, чтобы быть полезным, лабораторное тестирование требует стандартизации экспериментальных процедур, которые в идеале должны определяться на основе демографически доминирующих потребительских моделей. Эксперименты должны выбирать ряд дискретных, как мы надеемся, репрезентативных значений параметров парения. Затем стандартизация требует проведения серии блоков регламентированных затяжек (все с одинаковой продолжительностью и объемом затяжки), варьируя различные параметры для проверки равновесия между физическими процессами (рисунок 1) и учитывая межпараметрические отношения на рисунках 2-4.

Еще одна сложность лабораторных испытаний возникает из-за необходимости использования «машин для вейпинга» для имитации вдыхания путем выкачивания аэрозоля из устройств, поскольку инструменты невозможно поместить в рот вейпера.

Рисунок 5. Принцип работы машины для вейпинга

Очевидно, что ни один лабораторный протокол затяжки не может воспроизвести потребительское использование, которое далеко не «регламентировано». Однако можно разработать стандартизированные протоколы, которые, по крайней мере, в минимальной степени соответствуют конструкции и использованию различных устройств и разнообразных параметров (как мы обсуждали ранее и показали на рисунках 2-4).

К сожалению, большая часть лабораторных исследований, генерирующих аэрозоли вейпа (для тестирования выбросов или воздействия на системы in vivo и in vitro), не следуют стандарту затяжки, что затрудняет сравнение экспериментальных результатов. В настоящее время все исследования, использующие стандарт, ссылаются на протокол CORESTA (Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco Method 81), который является адаптацией к ранним устройствам для вейпинга, используемого табачной промышленностью для тестирования сигарет. Этот протокол примерно подходит для тестирования имеющихся в настоящее время маломощных и Pod-устройств. Но существует настоятельная необходимость в его обновлении для тестирования широкого спектра устройств для вейпинга на растущем рынке.

Тестирование оптимального режима парения в лабораторных условиях

В условиях, близких к тепловому равновесию, мы ожидаем, что масса вдыхаемого аэрозоля должна пропорционально увеличиваться с каждым увеличением мощности. Эта пропорциональность может быть связана с термодинамической эффективностью генерации аэрозоля. Она должна быть оценена для каждой комбинации устройства, спирали, смеси жидкости, уровней никотина и различных ароматизаторов.

Массу вдыхаемого аэрозоля трудно измерить напрямую. Но очень точным показателем является масса испарившейся жидкости (mass of e-liquid vaporized) — MEV, которую легко измерить (путем точного взвешивания до и после каждой затяжки). Воздушный поток (литры в минуту или миллилитры в секунду) можно получить, разделив объем затяжки на продолжительность затяжки.

Оптимальный режим парения можно проверить экспериментально, проверив, как в блоках регламентированных затяжек увеличение подаваемой мощности W увеличивает массу испаряемой жидкости MEV. График W по отношению к MEV называется «функциональной кривой», и его форма зависит от воздушного потока, смеси PG/VG и уровня никотина. Мы можем выделить три режима нагрева:

• Оптимальный режим. График зависимости W от MEV представляет собой прямую линию: каждое увеличение мощности сопровождается пропорциональным увеличением массы MEV.
• Недогрев. Подаваемая мощность ниже оптимального режима недостаточна для испарения жидкости. График W против MEV равен нулю или близок к нулю.
• Перегрев. Избыток подаваемой энергии увеличивает остаточное тепло за счет испарения жидкости, еще больше увеличивая при этом остаточное тепло и снижая скорость генерации MEV.

Функциональная кривая, показанная на рисунке 6 ниже, соответствует устройству Cubis с сопротивлением 1 Ом, смесью PG 50/50 и 12 мг/мл никотина. Оптимальный режим отмечен линейной зависимостью W от MEV, которая простирается в диапазоне 7-27 Вт при скорости воздушного потока 1,1 л/мин. Режим перегрева простирается выше 27 Вт, как нелинейная зависимость W от MEV, при этом MEV медленно увеличивается с увеличением мощности. В режиме недогрева подаваемая мощность недостаточна для испарения жидкости и образования аэрозоля.

Рисунок 5. Оптимальный режим парения

Функциональные кривые в значительной степени формируются скоростью воздушного потока. При этом большие скорости воздушного потока расширяют диапазоны мощности оптимального режима, а меньшие скорости воздушного потока сужают их. Функциональная кривая на рисунке 6 ниже показывает то же устройство Cubis (как и выше), работающее при двух разных скоростях воздушного потока: 1,1 л/мин (как на предыдущем рисунке) и 10 л/мин. Обратите внимание, как диапазон мощности оптимального режима становится шире с увеличением скорости воздушного потока (9-40 Вт).

Рисунок 6. Изменение диапазона мощности оптимального режима с увеличением скорости

Оптимальный режим на рисунках 5 и 6 показывает диапазон подаваемой мощности для заданного воздушного потока, где компромисс между вдыхаемым воздушным потоком (принудительная конвекция) эффективно поглощает тепло для баланса подаваемого тепла для кипения и испарения. Наклон функциональной кривой пропорционален термодинамической эффективности (скорости обмена энергией на рисунке 1).

Оптимальный режим — это диапазон мощности для максимальной эффективности при выборе воздушного потока. Это диапазоны мощности, в которых следует использовать устройство для вейпинга, которые примерно совпадают с диапазонами мощности, рекомендуемыми производителями, хотя производители не раскрывают, как они определяют эти диапазоны.

Многие используемые в настоящее время устройства позволяют пользователям фиксировать подаваемую мощность, сопротивление спирали, уровни никотина и смесь PG/VG. Но как пользователь может настроить соответствующий поток воздуха? Пользователи фиксируют мощность, контролируя (часто методом проб и ошибок) глубину и интенсивность своего вдыхания и открывая/закрывая вентиляционные отверстия. Скорость потока воздуха 1,1 л/мин, рекомендуемая протоколом метода CORESTA 81 (как показано на рисунке 2), соответствует потребительским затяжкам маломощных устройств, работающих ниже 20 Вт в стиле «изо рта в легкие», в то время как высокомощные устройства требуют более высоких скоростей потока воздуха, вплоть до 10 л/мин.

Функциональные кривые (как на рисунках 5 и 6) не запрещают оптимальное парение мощного сабомного устройства (> 40 Вт) с воздушным потоком CORESTA, они только ограничивают оптимальное парение с этим воздушным потоком до гораздо более низких и узких диапазонов мощности. Однако, как показано на рисунке 2, учитывая широкие мундштуки и очень низкое сопротивление воздуха этих устройств, ими трудно затянуться без значительно большого вдоха (воздушного потока). Начинающий вейпер, пытающийся затянуться из мощного устройствоа с низким воздушным потоком, используемым для затяжки маломощного pod, скорее всего, получит выброс горячего аэрозоля.

Температура часто рассматривается как ключевая переменная в парении. Но парение включает в себя множество температур (спираль, жидкость, пар, стенки атомайзера, мундштук). Однако имеет значение только температура спирали, поскольку при нормальном кипении она совпадает с температурой кипения пара и жидкости вокруг фитиля (которые близки к тепловому равновесию). Эта температура кипения зависит от конкретной смеси жидкости, а не от подаваемой мощности или сопротивления (эффект высокой подаваемой мощности заключается в более быстром достижении температуры кипения).

Теоретически можно определить температуру или измерить ее в лаборатории, но температуру спирали, которая отличается от температуры кипения, очень трудно контролировать, даже в устройствах, продаваемых с «термоконтролем». Это сабомные устройства с баком, в которых используются спирали со сплавами металлов (например, нихром), в которых сопротивление зависит от температуры. Они имеют электронный контроллер, который, учитывая температуру спирали (которую выбирает пользователь), устанавливает изменение мощности и напряжения, чтобы оставаться в соответствии с этой температурой по закону Ома. Однако температура кипения не обязательно должна совпадать с температурой спирали, выбранной пользователем, поэтому использование этого режима контроля температуры требует множества проб и ошибок. Значения температуры на экране прибора, вероятно, будут очень неточными, особенно если устройства обдуваются ненадлежащим образом низким потоком воздуха.

Что дальше?

Нам нужно понять, что происходит при работе вейп-устройства в условиях аномального перегрева на уровнях мощности выше оптимального режима. Поскольку температура спирали превышает нормальную температуру кипения жидкости для вейпинга, по мере увеличения мощности этот режим включает в себя различные процессы кипения: кипение в очаге и кипение в пленке, в конечном итоге приводящее к конечной точке, известной как «сухая затяжка». Я рассмотрю, как несколько исследований произвели (и продолжают производить) высокие уровни побочных продуктов, тестируя устройства в условиях, которые производят отталкивающие для пользователей аэрозоли, но машины для тестирования вейпов продолжают так работать.

Первая часть
Источник | robertosussman.substack.com
Фото | Image by diana.grytsku on Freepik