Подробное руководство по вейпингу. Часть 3

Это третья публикация Роберто Сассмана из серии постов, описывающих аэрозоль вейпинга, его свойства, оптимальный режим работы и сравнение с табачным дымом и другими аэрозолями.

Понимание того, как образуются, действуют и могут быть протестированы аэрозоли для вейпинга, дает знания для понимания их приятного использования, профиля токсичности и относительной безопасности по отношению к табачному дыму и другим аэрозолям и загрязняющим веществам. Не будучи «экспертами», эти знания подтверждают нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

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

Часть 3

Во второй части был описан оптимальный режим парения с точки зрения теплофизики как компромисс в обмене энергией, который можно проверить в лабораторных условиях с помощью функциональных кривых, связывающих подаваемую мощность W с массой испаряемой жидкости для электронных сигарет MEV.

В этом посте объясняем, что происходит, когда устройство для вейпа эксплуатируется или тестируется в лаборатории в режиме перегрева при уровнях мощности выше оптимального режима; следовательно, при температурах спирали выше температур кипения жидкости. Объясняем тепловые процессы, происходящие в этом режиме, изменяющие процесс кипения, приводящие к экспоненциальному росту токсичных побочных продуктов и к критической конечной точке, известной как «сухая затяжка» (драйхит). Это сложные и нестабильные процессы, все детали которых до сих пор не полностью изучены.

Что может пойти не так в режиме перегрева

Режим перегрева при затяжке с подаваемой мощностью выше оптимального режима характеризуется гораздо более энергичными и нестабильными тепловыми процессами, которые существенно изменяют циклический баланс теплообмена процесса кипения, увеличивая остаточное тепло и изменяя химический состав аэрозоля. Пользователи ощущают эти изменения, так как затяжка устройства в этих условиях уже не является приятной.

Пузырьковое кипение

Когда температура спирали превышает температуру кипения жидкости для электронной сигареты, кипение продолжается, но становится более энергичным и неустойчивым, чем обычное кипение, обсуждавшееся в предыдущих частях, следуя этим двум режимам: пузырьковое кипение и пленочное кипение. Подобный тип режимов кипения встречается в других тепловых системах, где нагревательный элемент, обычно спираль, нагревает жидкость: электрические котлы, чайники и ядерные реакторы.

Кипение в резервуаре описывает тепловую систему, в которой металлический нагревательный элемент (спираль) полностью погружен в жидкость внутри закрытого изолированного контейнера. Это самая простая аналогия для иллюстрации того, что может происходить в вейп-устройстве. Эволюция от нормального до зародышевого и пленочного кипения теоретически описывается кривой Нукиямы (рисунок 1), отображающей поставляемый тепловой поток q = Тепло/(площадь X время) = Мощность/площадь как функцию T_c-T_b, разницы между температурами спирали и кипения:

Кривая кипения Нукиямы

Слева от точки A мы имеем нормальное кипение, описанное в части 1 и части 2: изначально образуются небольшие пузырьки воздуха и движутся по простым круговым схемам конвекции, поглощая пар и скапливаясь на поверхности жидкости, где они лопаются и выделяют пар. Пузырьковое кипение (от A до B) инициируется подачей последовательности фиксированных небольших количеств дополнительного тепла (дополнительная мощность на спирали) в ряд шагов. После подачи тепла несколькими увеличивающимися шагами пузырьки становятся более многочисленными, большими и подвижными, текущими по всему объему жидкости по очень сложным схемам конвекции. Это схематически показано на рисунке 2 и с фотографиями на рисунке 3.

Рис. 2 Нормальное и пузырьковое кипение

Пузыри в режимах кипения

Пузырьки поглощают тепло и наполняются большим количеством пара из жидкости, смешанной с воздухом, увеличивая свое внутреннее давление, чтобы уравновесить давление жидкости, становясь достаточно стабильными, чтобы сталкиваться, сливаться и постепенно группироваться (образовывать зародыши) в более крупные пузырьки вокруг нагревательного элемента. Однако, вопреки тому, что мы ждем, дополнительное тепло, подаваемое на спираль при пузырьковом кипении, не вызывает пропорционального увеличения пара по сравнению с обычным кипением (как это происходит в оптимальном режиме). Ниже объясним причины.

Скрытая теплота испарения — это количество тепла, которое необходимо поглотить при постоянной температуре кипения для испарения заданной массы жидкости. Она медленно уменьшается с ростом температуры и давления, становясь нулевой только в экстремальном состоянии, известном как «критическая точка» (обычно при чрезвычайно высоких давлениях). Для тепловых систем, близких к атмосферному давлению, скрытая теплота испарения остается примерно постоянной, поэтому дополнительно поставляемое тепло не способствует значительному пропорциональному увеличению массы пара. Однако испарение продолжается, и уровни жидкости снижаются.

Микроскопическое количество образующегося пара напрямую зависит от доли молекул жидкости, которые выходят с поверхности жидкости в область газа, как только их кинетическая энергия (энергия движения) превосходит энергию связи межмолекулярных сил, которые удерживают их связанными в жидкости. Поскольку температура является средним значением молекулярной кинетической энергии, этот молекулярный выход следует из достаточного повышения температуры из-за дополнительного поставляемого тепла, которое поглощается для испарения.

Однако, когда выброшенные молекулы находятся в избытке в газовой области, они теряют энергию, сталкиваясь и падая обратно в жидкость (пар конденсируется). Поэтому избыток тепла от зародышевого кипения не генерирует значительно больше пара пропорционально дополнительному теплу, поступающему в катушку. Скорее, увеличение температуры катушки производит больше молекулярной кинетической энергии, что компенсируется большим количеством столкновений (большей конденсацией). Жидкость уменьшается на тех же уровнях, что и в оптимальном режиме, но делает это быстрее на каждом этапе.

По мере увеличения мощности (тепла) температура спирали увеличивается, и накапливается остаточное тепло. В зависимости от химических свойств жидкости, на каждом этапе подачи тепла химические реакции в газовой области, которые были бездействующими при температурах спирали ниже точки кипения, могут стать активными и энергичными, производя больше побочных продуктов в более высоких концентрациях. То же самое происходит в устройстве для вейпа.

Критический тепловой поток в сторону пленочного кипения

По мере того, как продолжаются шаги подачи мощности на нагревательный элемент (от B до P), его температура продолжает расти, пузырьки продолжают расти и сливаться, в конечном итоге покрывая значительную часть нагревательного элемента и большую часть поверхности жидкость-газ, поглощая больше тепла. По мере того, как процесс продолжается (от P до C), подавая больше мощности и быстро увеличивая T_c, достигается максимальное значение теплового потока, известное как критический тепловой поток (CHF), где кривая Нукиямы на рисунке 1 достигает максимума, а тепловой поток начинает уменьшаться от C до D, даже если температура поддерживает рост T_c-T_b. Это происходит потому, что пузырьки теперь покрывают достаточно большую часть нагревательного элемента, образуя пленку, которая частично изолирует его от жидкости, сохраняя внутри пленки достаточно тепла для противодействия подаваемому тепловому потоку. Это переход к пленочному кипению.

Точка D, где кривая Нукиямы имеет минимум, известный как точка Лейденфроста, характеризуется полным скоплением пузырьков, образуя пленку, которая полностью покрывает нагревательный элемент, изолируя его от жидкости и сохраняя все тепло, подаваемое на спираль, еще больше увеличивая ее температуру. Однако важно подчеркнуть, что очень трудно экспериментально проверить теоретическую кривую Нукиямы на рисунке 1 за пределами CHF в точке Лейденфроста в направлении пленочного кипения, поскольку расширение пленки для покрытия спирали является крайне нестабильным процессом при очень высоких температурах, при этом жидкость истощается до уровней, при которых нагревательный элемент больше не полностью погружен, дестабилизируя и разрушая пленку, при этом нагревательный элемент выделяет всю свою сохраненную энергию путем излучения при температурах, которые могут достигать более 1000°C. В этой критической точке провода могут расплавиться, а большинство физических структур выйти из строя и разрушиться (что может произойти уже при CHF).

А как насчет вейпов?

Между бойлерами и вейпами есть сходства, оба включают металлический нагревательный элемент и кипящие жидкости. Ниже приведены два основных важных различия:

• В бойлере пошаговая подача тепла может поглощаться эвакуацией пара посредством принудительной конвекции для его извлечения (например) для нагрева воды для купания, хотя никто его не вдыхает. В парении пошаговый процесс представляет собой цикл затяжки, поэтому на каждом шаге подаваемое тепло почти одновременно поглощается для испарения жидкости, а также принудительной конвекцией посредством вдыхания.
• При парении нагревательный элемент (спираль) подвергается воздействию воздуха (через вдыхание), даже если он полностью погружен в жидкость. Уменьшение уровня жидкости увеличивает воздействие воздуха на спираль, что усложняет тепловые параметры процесса кипения.

Однако самое важное отличие заключается в нагревательном элементе (спирали). В парении это не простая металлическая спираль, а сложная структура с металлическими проводами, намотанными вокруг органической биомассы (хлопковый фитиль), оба находятся в контакте с воздухом в процессе вдыхания (см. Рисунок 4 ниже). Вследствие этой сложности теплообмен между проводами, жидкостью и воздухом демонстрирует очень сложную зависимость от свойств провода и геометрии спирали и фитиля.

Для понимания теплообмена в вейп-устройствах важны два физических свойства:

• Капиллярность: способность слоев жидкости подниматься вдоль волокон фитиля.
• Смачиваемость: способность жидкостей распространяться и покрывать твердые поверхности. Это свойство металлических поверхностей (проводов) сильно отличается от свойств пористых поверхностей (волокон фитиля).

Действие этих двух свойств существенно различается в зависимости от конструкции вейп-устройств, что затрудняет полное понимание тепловых эффектов в условиях перегрева.

Рис. 4 Теплообмен в вейп-устройстве

Парение в режиме перегрева выше температур кипения (188-288 °C) также может быть представлено частью нуклеированного кипения кривой Нукиямы до CHF (от A до C на рисунке 1). Однако, поскольку работа устройств для парения включает циклы затяжек подаваемого и поглощаемого тепла (Мощность = тепло/время), функциональные кривые, представленные в посте 2, на которых изображена масса испарившейся жидкости (MEV) в зависимости от мощности, обеспечивают лучшее представление условий перегрева.

Рис. 5 Испарение в режиме перегрева

Как и при кипении в резервуаре, испарение жидкости остается почти застойным (рисунок 5) с остаточным теплом, накапливающимся на каждом этапе подачи тепла. При температурах выше 300 °C пузырьки становятся больше и энергичнее, скапливаясь вокруг спирали (см. рисунок 3). Уровень жидкости быстро уменьшается после каждой затяжки, поскольку дополнительное остаточное тепло увеличивает объемную температуру жидкости, уменьшая ее вязкость и способствуя капиллярности и смачиваемости жидкости. По мере того, как больше мощности подается в дополнительных затяжках, пузырьки объединяются, образуя изолирующие пленки, которые частично покрывают провода в спирали и сохраняют тепло, еще больше повышая температуру спирали, пока не достигнет CHF примерно при 400-450°C. Это переход от зародышевого кипения к пленочному кипению, конечной точкой которого является «сухой затяжкой», другая эволюция от кипения в резервуаре, как — объясним далее.

Экспоненциальный рост токсичных побочных продуктов

Реакции термической деградации (пиролиз с низкой энергией) при испарении жидкости могут также происходить в газовой области сценария бойлера, но в устройствах для вейпа это имеет важные последствия для безопасности. Скорость этих реакций в газе зависит экспоненциально от температуры и от энергии активации E₀, которая меняется с каждой реакцией (закон Аррениуса). Эту зависимость можно схематически проиллюстрировать на рисунке 6 ниже.

Рис. 6 Схематическое изображение формулы Аррениуса

Скорость реакции (гамма) — это доля молекул с энергией E выше энергии активации E₀, которая является разной скоростью для разных реакций (разных побочных продуктов). При оптимальном режиме испарение происходит при примерно постоянной температуре кипения T_b, которая примерно совпадает с температурой спирали T_c (локально вокруг фитиля). При этой температуре (и ниже) скорость реакции гамма очень мала (левая часть экспоненциальной кривой на рисунке 6 с почти нулевым ростом), поэтому реакции слабые и производят незначительные количества побочных продуктов, хотя обычно большее количество формальдегида. Работа устройства в диапазоне мощности, определяемом оптимальным режимом, приведет к испарению жидкости вокруг фитиля при температуре кипения T_b, а скорости реакции останутся очень малыми.

Однако, когда температура спирали превышает температуру кипения жидкости, скорости реакции растут экспоненциально (как схематически показано на рисунке 6). Этот переход от незначительных до незначительных уровней к экспоненциальному увеличению выхода альдегида происходит также при подаваемой мощности W, которая отмечает переход от оптимального к режиму перегрева. Это максимальная мощность, позволяющая реакциям происходить при примерно одинаковой температуре кипения и спирали. Эти эффекты можно наблюдать в лабораторных условиях.

Рис. 7 Образование альдегидов при перегреве

Синие прямоугольники на рисунке 7 показывают диапазоны мощности оптимального режима, а цветные точки обозначают выход продукции 3 основных альдегидов (формальдегида, ацетальдегида и акролеина). Обратите внимание, что выходы альдегидов очень малы в диапазонах мощности оптимального режима, но их производство запускается экспоненциально в режиме перегрева (как в формуле Аррениуса на рисунке 6). По мере повышения температуры спирали (300-350 °C) до зародышевого кипения реакции термической деградации становятся более энергичными (более энергичный пиролиз), резко увеличивая производство большего количества побочных продуктов при большем выходе.

Вейперы не ощущают интенсивности пузырьков, но ощущают более горячий аэрозоль, поскольку увеличение остаточного тепла повышает температуру смеси воздуха и пара внутри атомайзера, его стенок и мундштука. Они также ощущают быстрое увеличение побочных продуктов как ухудшение вкуса, даже без истощения жидкости («сухая затяжка»).

Однако пользователи особенно ощущают явное и более выраженное ухудшение вкуса из-за побочных продуктов пиролитических реакций целлюлозы в фитиле (особенно фураны), характеризующихся горьким миндальным вкусом и запахом. Как показано на следующих фотографиях (не эксперимент, а качественная оценка), начало и прогресс пиролиза по мере повышения температуры фитиля можно легко оценить визуально:

Рис. 8 Пиролиз фитиля

Поджаривание хлеба — полезная аналогия для понимания пиролиза (и горения как его конечной точки). При слабом уровне мощности в тостере получается светло-коричневый вкусный тост (низкоэнергетический пиролиз). Увеличение подаваемой мощности приводит к получению более темных тостов, которые (до определенного уровня мощности) все еще съедобны (все еще низкоэнергетический пиролиз). Практически все потребители будут есть поджаренный хлеб на этом уровне или ниже, поскольку выше этого уровня мощности тост получается темно-коричневый и его уже неприятно есть. Увеличение подачи мощности еще больше ухудшит его вкус, сделав тост отталкивающим и несъедобным (энергетический пиролиз). Дальнейшее увеличение мощности воспламенит и сожжет тост (горение). Применительно к вейпингу: затяжка вейп-устройства в условиях перегрева так же неприятна, как употребление в пищу пережаренного неприятного на вкус тоста, а сухая затяжка — это подгоревший тост.

От пузырькового кипения до пленочного кипения и сухого кипения

Переход от пузырькового к пленочному кипению при парении отличается от кипячения в резервуаре, поскольку жидкость контактирует со сложным нагревательным элементом: проволокой, намотанной на хлопковый фитиль (см. Рисунок 4). Пленки вдоль проволок проводят тепло, в то время как воздух в пароводе образует дополнительные пузырьки с воздухом и паром внутри фитиля (который уже пиролизован, см. Рисунок 8), давление которых увеличивается выше давления оставшейся жидкости. Поскольку тепло не полностью удерживается пленками, покрывающими провода, точка Лейденфроста («C» на рисунке 1) отсутствует. Вместо этого при CHF пленки и пузырьки в проводах и фитиле быстро разрушаются, высвобождая энергию в воздух, когда жидкость окончательно истощается, при этом провод передает тепло посредством излучения почти мгновенно при температурах до 1000 °C. Это «сухая затяжка».

«Сухая затяжка» — это критическая конечная точка режима перегрева. Это не единичный случай, когда «затяжка была нормальной», пока внезапно не случилась катастрофа, когда жидкость закончилась. Однако процесс перегрева, приводящий к «сухой затяжке», происходил резко (воспринимался как мгновенный) в ранних устройствах для вейпинга, которые работали на низких уровнях мощности (ниже 5 Вт) и не имели контроля мощности или напряжения. Пользователи могли легко случайно затянуться, не заметив быстрого истощения жидкости.

Более новые устройства второго и третьего поколения работали в более широком диапазоне мощности и позволяли пользователям контролировать мощность/напряжение и даже поток воздуха. Это значительно упростило для людей возможность избавиться от сухих затяжек и почувствовать горячий аэрозоль и/или ухудшение вкуса в начале режима перегрева, даже до наступления полностью отталкивающего ощущения при истощении жидкости. В устройствах высокой мощности режим перегрева гораздо более постепенный, поскольку эти устройства могут оптимально работать в гораздо более широком диапазоне мощности.

Вейп-устройства могут продолжать работать в режиме полного перегрева, даже при сухой затяжке, но пользователи прекращают парение, потому что они ощущают горячий аэрозоль и/или ухудшение вкуса/запаха, либо резкое, либо постепенное из-за термических процессов и изменений химии аэрозоля, обсуждаемых в этом материале. Все это важно иметь в виду при тестировании устройств в лаборатории.

Что дальше?

Теперь мы знаем, как можно понять и экспериментально проверить оптимальный режим для приятного парения. Мы также знаем, что может произойти в условиях перегрева, которые также можно проверить в лаборатории. В следующей части подведем итог тому, как аэрозоль вейп-устройств анализируется в научной литературе. Мы видим, что исследования, сообщающие об избытке токсичных побочных продуктов (выше маркеров безопасности), всегда можно отследить до различных методологических недостатков, включая тестирование устройств в условиях перегрева.

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