Пост 3. Перегрев и не только

Источник

Обзор

Это третий пост Substack из серии постов, описывающих аэрозоли для вейпинга, их свойства, оптимальный режим работы и 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 загрязнителям. Не будучи «экспертами», эти знания подкрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

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 3:

В посте 2 я описал Оптимальный режим вейпинга с точки зрения теплофизики как компромисс в обмене энергией, который можно проверить в лаборатории в виде функциональных кривых, связывающих подводимую мощность W с массой испаряемой электронной жидкости MEV.

В этом посте я объясняю, что происходит, когда вейп-устройство работает или тестируется в лаборатории в режиме перегрева при уровнях мощности выше оптимального режима, а значит, при температурах спирали выше температуры кипения электронной жидкости. Я объясняю 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». Это сложные и нестабильные процессы, все детали которых до сих пор не до конца понятны.

Что может пойти не так в режиме перегрева

Режим перегрева при затяжке с мощностью, превышающей оптимальный режим, характеризуется гораздо более энергичными и нестабильными тепловыми процессами, которые значительно изменяют циклический баланс теплообмена процесса кипения, увеличивая остаточное тепло и изменяя химический состав аэрозоля. Пользователи ощущают эти изменения, поскольку затяжка устройства в таких условиях перестает быть приятной по ощущениям.

Пузырьковое кипение.

Когда температура спирали поднимается выше температуры кипения электронной жидкости, кипение продолжается, но становится более энергичным и нестационарным, чем обычное кипение, о котором говорилось в предыдущих постах, следуя двум режимам: зародышевое кипение и пленочное кипение. Подобные режимы кипения встречаются и в других тепловых системах, где нагревательный элемент, обычно спираль, нагревает жидкость: в электрических котлах, чайниках и ядерных реакторах.

Кипение в бассейне 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 кипения к кипению с зарождением и пленочному кипению теоретически описывается кривой Нукиямы (рис. 1), на которой представлен тепловой поток q = Тепло/(площадь X время) = Мощность/площадь как функция Tc-Tb, разницы между температурами спирали и кипения:

Слева от точки A мы имеем нормальное кипение, описанное в постах 1 и 2: первоначально образуются маленькие пузырьки воздуха, которые движутся по простым конвективным круговым схемам, поглощая пар и группируясь на поверхности жидкости, где они лопаются и выпускают пар. Пузырьковое (везикулярное) кипение (от A к B) начинается с подачи последовательности фиксированных небольших количеств дополнительного тепла (дополнительная мощность на катушке) в несколько этапов. После подачи тепла несколькими ступенями пузырьки становятся все более многочисленными, крупными и подвижными, протекая по всему объему жидкости по очень сложным конвективным схемам. Схематично это показано на рисунке 2, а с помощью фотографий — на рисунке 3.

Пузырьки поглощают тепло и наполняются большим количеством пара из жидкости, смешанного с воздухом, увеличивая свое внутреннее давление, чтобы уравновесить давление жидкости, становясь достаточно устойчивыми, чтобы постепенно сталкиваться, сливаться и объединяться (нуклеироваться (везикулироваться)) в более крупные пузырьки вокруг нагревательного элемента. Однако, вопреки ожиданиям, дополнительное тепло, подводимое к при нуклеированном (пузырьковом) кипении, не вызывает пропорционального увеличения количества пара по сравнению с обычным кипением (как это происходит в Оптимальном режиме). Причины этого я объясню ниже.

Скрытая теплота парообразования — это количество тепла, которое должно быть поглощено при постоянной температуре кипения, чтобы испарить данную массу жидкости. Она медленно уменьшается с ростом температуры и давления, становясь нулевой только в экстремальных условиях, известных как «критическая точка» (обычно при очень высоких давлениях). Для тепловых систем, близких к атмосферному давлению, скрытая теплота парообразования остается примерно постоянной, поэтому дополнительное подводимое тепло не способствует значительному пропорциональному увеличению массы пара. Однако испарение продолжается, и уровень жидкости снижается.

Микроскопически количество образующегося пара напрямую зависит от доли молекул жидкости, которые уходят с поверхности жидкости в газовую область, когда их кинетическая энергия (энергия движения) превосходит энергию связи межмолекулярных сил, удерживающих их в жидкости. Поскольку температура является средним значением кинетической энергии молекул, этот молекулярный побег следует из достаточного повышения температуры за счет дополнительного подводимого тепла, которое поглощается для испарения.

Однако, когда улетевшие молекулы оказываются в избытке в газовой области, они теряют энергию, сталкиваясь и падая обратно в жидкость (пар конденсируется). Поэтому избыток тепла при зарождающемся кипении не приводит к образованию значительно большего количества пара пропорционально дополнительному подводу тепла к . Скорее, при повышении температуры спирали выделяется больше молекулярной кинетической энергии, которая компенсируется большим количеством столкновений (больше конденсации). Жидкость уменьшается на тех же уровнях, что и в Оптимальном режиме, но на каждом этапе это происходит быстрее.

По мере поступления большей энергии (тепла) температура теплообменника повышается, а остаточное тепло накапливается. В зависимости от химических свойств жидкости, на каждом этапе подачи тепла химические реакции в газовой области, которые были в состоянии покоя при температуре спирали ниже точки кипения, могут стать активными и энергичными, производя больше побочных продуктов при более высоких концентрациях. То же самое происходит и в вейп-устройстве.

Критический тепловой поток при кипении пленки

При дальнейшем подводе мощности к нагревательному элементу (от B к P) его температура продолжает повышаться, пузырьки растут и сливаются, в итоге покрывая значительную часть нагревательного элемента и большую часть газожидкостной поверхности, поглощая все больше тепла. По мере продолжения процесса (от P к C) при подводе большей мощности и быстром увеличении Tc достигается максимальное значение теплового потока, называемое критическим тепловым потоком (CHF), при котором кривая Нукиямы на рис. 1 достигает максимума и тепловой поток начинает уменьшаться от C к D, даже если температура продолжает расти Tc-Tb. 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, чтобы противостоять подводимому тепловому потоку. Это и есть переход к пленочному кипению.

Точка D, в которой кривая Нукиямы имеет минимум, известный как точка Лейденфроста, характеризуется полным скоплением пузырьков с образованием пленки, которая полностью покрывает нагревательный элемент, изолируя его от жидкости и сохраняя все тепло, подводимое к спирали, что еще больше повышает его температуру. Однако важно подчеркнуть, что экспериментально проверить теоретическую кривую Нукиямы на рис. 1 за пределами CHF в точке Лейденфроста до кипения пленки очень сложно, поскольку расширение пленки для покрытия спирали является крайне неустойчивым процессом при очень высоких температурах, при этом жидкость истощается до уровня, в который нагревательный элемент больше не погружен полностью, дестабилизируя и разрушая пленку, а нагревательный элемент излучает всю свою сохраненную энергию в виде излучения [теплового] при температурах, которые могут достигать более 1000 °C. В этой критической точке провода могут расплавиться, а большинство физических структур — выйти из строя (то, что может произойти уже в CHF).

А как насчет вейпов?

Между Pool Boiling (кипение в бассейне) и вейпиггом есть сходство: в обоих случаях используется металлический нагревательный элемент и кипящая жидкость. Ниже приведены два основных важных отличия:

• В Pool Boiling пошаговый подвод тепла может быть поглощен отводом пара через принудительную конвекцию, чтобы извлечь его (например) для нагрева воды для купания, хотя никто его не вдыхает. При вейпинге пошаговый процесс представляет собой цикл затяжек, поэтому на каждом этапе подводимое тепло почти одновременно поглощается для испарения электронной жидкости [ЭСДН], а также за счет принудительной конвекции при вдыхании.
• При вейпинге нагревательный элемент (спираль) подвергается воздействию воздуха (через ингаляционный канал (вдыхания)), даже если он полностью погружен в электронную жидкость. Снижение уровня жидкости увеличивает воздействие воздуха на спираль, что усложняет термические переменные процесса кипения.

Однако самое важное отличие заключается в нагревательном элементе (спирали). В вейпинге это не простая металлическая спираль, а сложная конструкция с металлическими проводами (проволокой), намотанными на органическую биомассу (хлопковый фитиль), которые контактируют с воздухом при вдыхании (ингаляции) (см. рисунок 4 ниже). Вследствие такой сложности теплообмен между проволокой, электронной жидкостью и воздухом имеет очень сложную зависимость от свойств проволоки и геометрии спирали/фитиля.

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

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

Действие этих двух свойств сильно варьируется в различных конструкциях вейп-устройств, что затрудняет полное понимание теплового эффекта в условиях перегрева.

Вейпинг в режиме перегрева выше температуры кипения (188-288 °C) также может быть представлен частью кривой Нукиямы с зарождением кипения до CHF (от A до C на рисунке 1). Однако, поскольку при работе вейп-устройств происходят циклы затяжек с выделением и поглощением тепла (мощность = тепло/время), функциональные кривые, представленные в посте 2 и отображающие соотношение массы испаренной электронной жидкости (MEV) и мощности, дают лучшее представление об условиях перегрева.

Как и при кипении в бассейне, испарение жидкости остается почти застойным (рис. 5), а остаточное тепло накапливается на каждом этапе подвода тепла. При температуре выше 300°C пузырьки становятся крупнее и энергичнее, группируясь вокруг спирали (см. Рисунок 3). Уровень жидкости быстро снижается после каждой затяжки, поскольку дополнительное остаточное тепло повышает температуру жидкости, снижая ее вязкость и способствуя капиллярности и смачиваемости жидкости. При подаче дополнительной мощности пузырьки слипаются, образуя изоляционные пленки, которые частично покрывают провода в катушке и удерживают тепло, еще больше повышая температуру катушки, пока не достигают температуры CHF примерно 400-450 °C. Это переход от зародышевого кипения к пленочному кипению, конечной точкой которого является «сухая затяжка», что отличается от кипения в бассейне, как я объясню далее.

Экспоненциальный рост токсичных побочных продуктов.

Реакции термической деградации (низкоэнергетический пиролиз) при испарении жидкости могут происходить и в газовой области сценария Pool Boiling, но в вейп-устройствах это имеет важные последствия для безопасности. Скорость этих реакций в газе экспоненциально зависит от температуры и энергии активации E0, которая изменяется для каждой реакции (закон Аррениуса). Схематично эту зависимость можно проиллюстрировать на рисунке 6 ниже.

Скорость реакции (гамма) — это доля молекул с энергией E выше энергии активации E0, которая для разных реакций (разных побочных продуктов) разная. В оптимальном режиме испарение происходит при примерно постоянной температуре кипения Tb, которая примерно совпадает с температурой спирали Tc (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 протекают слабо и дают незначительное количество побочных продуктов, хотя обычно большее количество формальдегида. При работе устройства в диапазоне мощностей, определяемых Оптимальным режимом, жидкость вокруг фитиля испаряется при температуре кипения Tb, и скорость реакции остается очень малой.

Однако, когда температура спирали превышает температуру кипения электронной жидкости, скорость реакции растет экспоненциально (как схематично показано на рисунке 6). Этот переход от пренебрежимо малых уровней к экспоненциальному росту выхода альдегидов происходит также при подводимой мощности W, которая отмечает переход от оптимального режима к режиму перегрева. Это максимальная мощность, при которой реакции протекают примерно при одинаковой температуре кипения и змеевика. Эти эффекты можно наблюдать в лабораторных условиях.

Синие прямоугольники на рисунке 7 показывают диапазоны мощности Оптимального режима, а цветные точки отмечают выход трех основных альдегидов (формальдегида, ацетальдегида и акролеина). Обратите внимание, что выход альдегидов очень мал в диапазоне мощностей оптимального режима, но их производство (выработка) растет по экспоненте в режиме перегрева (как в законе Аррениуса на рисунке 6). По мере повышения температуры спирали (300-350 °C) до уровня нуклиарного (вазекулярного) кипения, реакции термического разложения становятся более энергичными (более энергичный пиролиз), резко увеличивая производство большего количества побочных продуктов в больших количествах.

Вейперы не воспринимают интенсивность бульканья, но ощущают более горячий аэрозоль, поскольку увеличивающееся остаточное тепло повышает температуру смеси воздуха и пара внутри атомайзера, его стенок и мундштука. Они также воспринимают быстрое увеличение количества побочных продуктов как ухудшение вкуса, даже без истощения электронной жидкости («сухая затяжка»).

Однако пользователи особенно четко и заметно ощущают ухудшение вкуса от побочных продуктов пиролитических реакций целлюлозы в фитиле (в частности, фуранов), характеризующихся горьким миндалеподобным вкусом и запахом. Как показано на следующих фотографиях (это не эксперимент, а качественная оценка), начало и развитие пиролиза при повышении температуры фитиля можно легко оценить визуально:

Для понимания пиролиза (и горения как его конечной точки) полезной аналогией является поджаривание хлеба. При слабом уровне мощности, подаваемой на тостер, получается светло-коричневый вкусный ломоть хлеба (пиролиз с низкой энергией). Увеличение мощности приводит к появлению более темных ломтей, которые (до определенного уровня мощности) все еще остаются съедобными (все еще низкоэнергетический пиролиз). Практически все потребители будут есть поджаренный хлеб на этом уровне или ниже, поскольку выше этого уровня мощности ломоть получается темно-коричневым и его уже неприятно есть. Увеличение мощности еще больше ухудшит его вкус, сделав ломоть отталкивающим и непригодной для еды (энергетический пиролиз). Дальнейшее увеличение мощности приведет к воспламенению и горению ломтя (горение). Применительно к вейпингу: затяжка вейп-устройства в условиях перегрева так же неприятна, как поедание пережаренного ломтя хлеба с отвратительным вкусом, а сухая затяжка — это сгоревший ломоть.

От пузырькового к пленочному кипению и сухой затяжке.

Переход от нуклеата (пузырьков) к пленочному кипению в вейпинге отличается от «кипения в бассейне», так как жидкость контактирует со сложным нагревательным элементом: проволокой, намотанной на хлопковый фитиль (см. Рисунок 4). Пленки вдоль проволоки проводят тепло, а воздух во время вдыхания образует дополнительные пузырьки с воздухом и паром внутри фитиля (который уже пиролизирован, см. рис. 8), давление которых повышается над давлением оставшейся жидкости. Поскольку тепло не полностью удерживается пленками, покрывающими провода, точка Лейденфроста («С» на рис. 1) отсутствует. Вместо этого в точке CHF пленки и пузырьки в проволоках и фитиле быстро разрушаются, выделяя энергию в воздух по мере того, как жидкость окончательно иссякает, а проволока передает тепло через излучение почти мгновенно при температурах до 1000°C. Это и есть «сухая затяжка».

Сухая затяжка» — это критическая конечная точка режима перегрева. Это не единичный случай, когда «затяжка была в порядке», пока вдруг не произошла катастрофа, когда закончилась электронная жидкость. Однако процесс перегрева, приводящий к «сухой затяжке», происходил внезапно (воспринимался как мгновенный) в ранних устройствах для вейпинга, которые работали на низких уровнях мощности (менее 5 Вт) и не имели контроля мощности или напряжения. Пользователи могли случайно сделать затяжку, не заметив быстрого исчерпания (расхода) жидкости.

Новые устройства второго и третьего поколения работали в более широких диапазонах мощности и позволяли контролировать мощность/напряжение и даже обдув. Благодаря этому стало гораздо проще делать сухие затяжки и ощущать горячий аэрозоль и/или ухудшение вкуса в самом начале режима перегрева, даже до появления совершенно отталкивающих ощущений при исчерпании жидкости. В мощных устройствах режим перегрева происходит гораздо более постепенно, поскольку такие устройства могут оптимально работать в гораздо более широком диапазоне мощности.

Вейп-машины [лабораторные] могут продолжать работать в течение всего режима перегрева, даже до сухой затяжки, но пользователи прекращают вейпинг [раньше], потому что ощущают горячий аэрозоль и/или ухудшение вкуса/запаха, резко или постепенно, в результате тепловых процессов и изменений химического состава аэрозоля, о которых шла речь в этом посте. Все это важно иметь в виду при тестировании устройств в лабораторных условиях.

Что дальше? Прелюдия к посту 4

Теперь мы знаем, как можно понять и проверить экспериментально оптимальный режим для приятного вейпинга, а также знаем, что может произойти при перегреве, который также можно проверить в лабораторных условиях. В следующем посте я расскажу о том, как в научной литературе анализируется аэрозоль вейп-устройств. Мы увидим, что исследования, сообщающие о превышении токсичных побочных продуктов (сверх норм безопасности), всегда можно отнести к различным методологическим недостаткам, включая тестирование устройств в условиях перегрева.

---

Продолжение следует