Пост 2.
Физика оптимального вейпинга

Источник

Резюме

Это второй пост Substack из серии постов, описывающих принцип работы вейпов, генерируемый ими аэрозоль, его свойства, оптимальный режим работы, условия перегрева и сухие затяжки, а также сравнение с табачным дымом и другими аэрозолями.

Понимание того, как образуются, действуют и могут быть протестированы аэрозоли для вейпа, позволяет понять, насколько приятным является их использование, какова их токсичность и относительная безопасность по отношению к табачному дыму и другим аэрозолям и загрязняющим веществам.

Эти знания (которые я стараюсь излагать доступно) укрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

Пост 2:

Ранее я описал выхлопы от вейпов как аналог аэрозоля, образующегося при кипячении воды в чайнике. Это аэрозоли на жидкой основе, образование которых включает два фазовых перехода: испарение и конденсацию. Аэрозоли для вейпа также участвуют в низкоэнергетических реакциях «термической деградации» при нагревании электронной жидкости, в результате чего образуются побочные продукты, которые в «нормальных» условиях эксплуатации содержатся в ничтожных количествах.

В этом посте я подробно объясняю, как эти «нормальные» условия эксплуатации возникают в результате теплофизических процессов, происходящих во время вейпинга, на основе компромисса между выделяемой и поглощаемой энергией. Эти условия определяют «Оптимальный режим», который можно проверить в лаборатории.

Физические процессы в вейпинге

При нормальном кипении при соответствующих «оптимальных» физических параметрах (мощность, поток воздуха, сопротивление, расход воздуха, температура) вейпинг доставляет удовольствие пользователям, и ~ 99% массы аэрозоля как в газовой фазе, так и в каплях составляют растворители PG, VG, никотин и водяной пар, а побочные продукты (растворители и вкусовые химикаты) присутствуют в незначительных количествах.

Пользователи руководствуются (часто методом проб и ошибок) своими сенсорными ощущениями, чтобы определить, когда вейпинг доставляет удовольствие, а значит, является «нормальным» или «оптимальным». Однако существует ли научная основа для определения «оптимального» режима вейпинга? Да, читайте дальше.

Использование вейп-устройства можно понять с точки зрения теплофизики (теплообмена) как циклический (на одну затяжку) баланс энергообмена, состоящий из следующих процессов, которые происходят в каждой затяжке, близкой к тепловому равновесию. К этим процессам относятся

1. Электронная жидкость поступает в хлопковый фитиль
2. Энергия (тепло) поступает от аккумулятора и передается на провода спирали.
3. Часть энергии используется (выделяется) для нагрева за счет проводимости электронной жидкости в фитиле, чтобы довести ее до температуры кипения. Часть используется (поглощается) для испарения жидкости (скрытая теплота парообразования).
4. Почти одновременно пользователь вдыхает, оказывая принудительное конвекционное воздействие на пар электронной жидкости (энергия поглощается), охлаждая и конденсируя его для образования аэрозоля
5. Не вся энергия (тепло) используется, все эти процессы оставляют (высвобождают) остаточную энергию, содержащуюся в атомайзере, которая нагревает спираль, жидкость, паровоздушную смесь и стенки
6. Остаточная энергия увеличивает скорость капиллярности электронной жидкости в фитиле

Их можно проиллюстрировать графически (следуйте приведенным выше цифрам на рисунках 1 и 2 ниже):

Поскольку процессы не происходят в условиях теплового равновесия и не являются на 100% эффективными, они рассеивают энергию (остаточное тепло) при каждой затяжке, но при оптимальных условиях остаточное тепло не вызывает проблем.

Параметры вейпинга для лабораторных испытаний

Вейперам не нужно знать физику или химию, чтобы интуитивно (руководствуясь своими сенсорными ощущениями) оценить соблюдение этого энергетического баланса, часто методом проб и ошибок. Отдельные вейперы воспринимают необходимость регулировки различных параметров: интенсивности вдоха, мощности, сопротивления спирали, уровня никотина.

Под интенсивностью вдоха можно понимать скорость воздушного потока (миллилитры в секунду). Устройства имеют узкие или широкие мундштуки для облегчения или затруднения вдоха. Диаметр мундштука контролирует сопротивление воздуха (легкость всасывания при вдохе, как у соломинки). Существует проверенная в лабораторных условиях физическая зависимость между сопротивлением воздуха мундштука и проходящим через него воздушным потоком, которая четко определяет интенсивность вдыхания вейп-устройств. Это показано на графике зависимости сопротивления воздуха от потока воздуха

Как показано на рисунке 2 выше, низкое сопротивление воздуха и широкие мундштуки, а значит, и большой расход воздуха (около 10 л/мин), способствуют вейпингу устройств с высокой мощностью (> 40 Вт). Напротив, высокое сопротивление воздуха и узкие мундштуки, а значит, и малая скорость воздушного потока (1-2 л/мин), способствуют вейпингу маломощных устройств и капсул (< 20 Вт).

Соотношение сопротивления воздуха и скорости воздушного потока полностью соответствует двум основным стилям вейпинга: «рот в легкие» (низкая мощность) и «прямо в легкие» (высокая мощность). Конечно, эта зависимость не является абсолютной для всех вейперов, но она четко описывает «зону комфорта» большинства пользователей. Очевидно, что существует промежуточный диапазон между устройствами с высокой и низкой мощностью, низким/высоким сопротивлением воздуха и скоростью воздушного потока (которые также могут быть изменены с помощью вентиляционных отверстий).

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

$V=IR\text{AND}W=\frac{V^2}{R}\Rightarrow V=\sqrt{WR}$

Поэтому для постоянного V мы должны иметь высокое сопротивление катушки (R > 1 Ом) при низкой мощности (< 20 Вт) и низкое сопротивление катушки (R < 1 Ом) при высокой мощности (> 40 Вт). Это показано на графике на рисунке 3:

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

$\text{nicotine mass (mg)}=\text{nicotine concentration}\left(\frac{\text{mg}}{\text{mL}}\right)\times \text{Puff volume (mL)}$

Таким образом, для вдыхания примерно постоянной массы никотина низкая мощность (малый объем затяжки) сочетается с высокой концентрацией никотина, а высокая мощность (большой объем затяжки) — с низкой концентрацией никотина. Вейперы знают об этом, как показано на рисунке 4 ниже.

Выбор ароматизаторов и соотношение PG/VG также являются важными факторами, которые влияют на компромисс между энергией и предпочтительным типом устройства.

На рисунках 2-4 показано, как параметры вейпинга, интуитивно понятные вейперам, следуют из законов сохранения, которые регулируют соотношение между вдыханием, мундштуками, спиралями, подаваемой мощностью и уровнем никотина. Учитывая количество параметров, связанных с вейпингом, и широкую индивидуальную вариативность, возникает вопрос, возможен ли стандарт лабораторного тестирования. .

Очевидно, что потребительское использование не может быть воспроизведено в лаборатории, поскольку для того, чтобы быть полезным, лабораторные испытания требуют стандартизации экспериментальных процедур, которые в идеале должны быть определены на основе демографически доминирующих потребительских моделей. В ходе экспериментов необходимо выбрать ряд дискретных, как можно надеяться, репрезентативных значений параметров вейпинга. Затем стандартизация требует проведения серии блоков упорядоченных затяжек (все с одинаковой продолжительностью и объемом затяжки), варьируя различные параметры для проверки равновесия между физическими процессами (рисунок 1) и рассмотрения межпараметрических связей на рисунках 2-4.

Еще одна сложность лабораторных испытаний связана с необходимостью использования «вейп-машин» для имитации вдыхания путем откачивания аэрозоля из устройств, поскольку приборы нельзя поместить в рот вейперам.

Очевидно, что ни один лабораторный протокол затяжки не может воспроизвести потребительское использование, которое далеко не всегда является «регламентированным». Тем не менее, возможно разработать стандартизированные протоколы, которые хотя бы минимально соответствуют дизайну и использованию различных устройств и разнообразных параметров (как мы уже обсуждали ранее и как показано на рисунках 2-4).

К сожалению, большая часть лабораторных исследований, в ходе которых образуется вейп-аэрозоль (для тестирования выбросов или воздействия на системы in vivo и in vitro), не придерживается стандарта затяжки, что затрудняет сравнение результатов экспериментов. В настоящее время все исследования, в которых используется стандарт, ссылаются на протокол CORESTA (Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco Method 81), который является адаптацией к ранним вейп-устройствам протокола, используемого табачной промышленностью для тестирования сигарет. Этот протокол примерно подходит для тестирования доступных в настоящее время маломощных и капсульных устройств, но существует острая необходимость в его модернизации для тестирования широкого разнообразия вейп-устройств на растущем рынке.

Тестирование оптимального режима вейпинга в лаборатории

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 каждого сочетания устройства, спирали, смеси электронных жидкостей, уровня никотина и различных ароматизаторов.

Массу вдыхаемого аэрозоля сложно измерить напрямую, но очень точным показателем является масса испарившейся электронной жидкости MEV, которую легко измерить (путем точного взвешивания до и после каждой затяжки). Расход воздуха (литры в минуту или миллилитры в секунду) можно получить, разделив объем затяжки на время затяжки.

Оптимальный режим парения можно проверить экспериментально, проверив, как в блоках упорядоченных затяжек увеличение подаваемой мощности W увеличивает массу испаряемой электронной жидкости MEV. График зависимости W от MEV называется «функциональной кривой», и его форма зависит от расхода воздуха, смеси PG/VG и уровня никотина. Можно выделить три режима нагрева:

• Оптимальный режим: График W vs MEV представляет собой прямую линию: каждое увеличение мощности сопровождается пропорциональным увеличением массы MEV.
• Недогрев, подаваемая мощность ниже Оптимального режима недостаточна для испарения электронной жидкости. График W vs MEV равен нулю или близок к нулю.
• Перегрев, избыток подводимой энергии увеличивает остаточное тепло за счет испарения электронной жидкости, что приводит к дальнейшему увеличению остаточного тепла и снижению скорости генерации MEV.

Функциональная кривая, представленная на рисунке 6 ниже, соответствует устройству Cubis с сопротивлением 1 Ом, смесью PG 50/50 и никотином 12 мг/мл. Режим Optima характеризуется линейной зависимостью W от MEV в диапазоне 7-27 Вт при расходе воздуха 1,1 л/мин. Режим перегрева при мощности выше 27 Вт характеризуется нелинейной зависимостью W vs MEV, при этом MEV медленно увеличивается с ростом мощности. В режиме недостаточного нагрева подаваемая мощность недостаточна для испарения электронной жидкости и образования аэрозоля.

Функциональные кривые сильно зависят от скорости воздушного потока, при этом большая скорость воздушного потока расширяет диапазон мощности Оптимального режима, а меньшая — сужает его. Функциональная кривая на рисунке 6 ниже показывает одно и то же устройство Cubis (как показано выше), затянутое при двух различных скоростях воздушного потока: 1,1 л/мин (как на предыдущем рисунке) и 10 л/мин. Обратите внимание, что диапазон мощности оптимального режима становится шире с увеличением скорости воздушного потока (9-40 Вт).

Оптимальный режим на рисунках 5 и 6 показывает диапазон подводимой мощности для данного потока воздуха, в котором компромисс между потоком вдыхаемого воздуха (принудительная конвекция) эффективно поглощает тепло, чтобы уравновесить подводимое тепло для кипения и испарения. Наклон функциональной кривой пропорционален термодинамической эффективности (скорость энергообмена на рисунке 1).

Оптимальный режим — это диапазон мощности, обеспечивающий максимальную эффективность при определенном расходе воздуха. Это диапазоны мощности, в которых следует использовать вейп-устройство, которые примерно совпадают с диапазонами мощности в рекомендациях производителей, хотя производители не раскрывают, как они определяют эти диапазоны.

Многие устройства, используемые в настоящее время, позволяют пользователям устанавливать мощность, сопротивление спирали, уровень никотина и смесь PG/VG, но как пользователь может установить подходящий воздушный поток? Пользователи устанавливают его, контролируя (часто методом проб и ошибок) глубину и интенсивность вдоха, а также открывая/закрывая вентиляционные щели. Скорость воздушного потока 1,1 л/мин, рекомендованная протоколом 81 метода CORESTA (как показано на рисунке 2), соответствует потребительским устройствам малой мощности, работающим на мощности менее 20 Вт в стиле «рот в легкие», в то время как устройства большой мощности требуют более высокой скорости воздушного потока, вплоть до 10 л/мин.

Функциональные кривые (как на рисунках 5 и 6) не запрещают оптимальное парение мощных субомм-устройств (> 40 Вт) с воздушным потоком CORESTA, они лишь ограничивают оптимальное парение с этим воздушным потоком гораздо более низкими и узкими диапазонами мощности. Однако, как показано на рисунке 2, учитывая широкие мундштуки и очень низкое сопротивление воздуха этих устройств, их трудно затянуть без значительно большого вдоха (воздушного потока). Наивный вейпер, пытающийся затянуться мощным устройством с малым потоком воздуха, используемым для затяжки маломощной капсулы, скорее всего, получит горячий всплеск аэрозоля.

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

Можно определить температуру теоретически или измерить ее в лаборатории, но температуру спирали, отличающуюся от температуры кипения, очень сложно контролировать, даже в устройствах, продающихся с «режимом контроля температуры». Это устройства с субометровыми баками, в которых используются спирали из сплавов (например, нихрома), сопротивление которых зависит от температуры. Они оснащены электронным контроллером, который при заданной температуре спирали (которую выбирает пользователь) устанавливает изменение мощности и напряжения, чтобы оно соответствовало этой температуре по закону Ома. Однако температура кипения не обязательно должна совпадать с температурой катушки, выбранной пользователем, поэтому использование этого режима с контролем температуры требует большого количества проб и ошибок. Значения температуры на экране прибора, скорее всего, будут очень неточными, особенно если устройства затянуты с неподходящим низким потоком воздуха.

Что дальше?

Нам необходимо понять, что происходит при работе вейп-устройства в условиях аномального перегрева на мощности, превышающей оптимальный режим. Поскольку температура спирали превышает нормальную температуру кипения электронной жидкости, при увеличении мощности в этом режиме происходят различные процессы кипения: зародышевое кипение и кипение пленки, что в конечном итоге приводит к конечной точке, известной как «сухая затяжка». Я рассмотрю, как в ходе нескольких исследований были получены (и продолжают получаться) высокие уровни побочных продуктов при тестировании устройств в условиях, при которых пользователи получают отталкивающие аэрозоли, но вейпинг-машины продолжают работать.