Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы 9
1.1 Распространение кальяна в мире 9
1.2 Распространение кальяна в России 10
1.3 Описание кальяна и его использования 12
1.4 Образование дыма в кальяне 15
1.4.1 Физическая природа процесса образования дыма в кальяне 15
1.4.2 Классификация аэрозолей 17
1.4.3. Образование аэрозолей 18
1.5 Химический состав кальянного табака и его дыма 20
1.6 Влияние курения кальяна на здоровье 26
1.7 Выводы из литературного обзора и задачи исследования 31
2 Материалы и методы исследований 33
2.1 Схема исследований 33
2.2 Материалы исследований 33
2.3 Методы исследований 34
2.3.1 Моделирование влияния аэродинамического сопротивления кальяна на параметры курения 34
2.3.1.1 Описание установки 34
2.3.1.2 Методика проведения экспериментов 35
2.3.2 Определение продолжительности и интервалов между затяжками в естественных условиях курения 36
2.3.3 Изменение температуры и объемного расхода газов при горении различных марок быстровозгорающегося угля для кальяна
2.3.3.1 Описание установки 36
2.3.3.2 Методика определения влияния различных марок быстровозгорающегося угля на температуру и объемный расход выходящих газов 38
2.3.4 Водно-физические свойства быстровозгорающегося угля для
кальяна 39
2.3.4.1 Исследование массы таблеток угля в пачках 39
2.3.4.2 Определение влажности угля для кальяна 39
2.3.4.3 Зависимость особенностей горения угля от продолжительности его хранения на воздухе 39
2.3.5 Особенности горения быстровозгорающегося угля для кальяна..40
2.3.5.1 Осыпание золы в чашку для табака 40
2.3.5.1Л Описание установки 40
2.3.5.1.2 Методика определения массы золы, осыпающейся в чашку для табака при горении угля 41
2.3.5.2 Изменение аэродинамического сопротивления таблеток угля при их горении 42
2.3.5.3 Методика определения влияния перфорации фольги на особенности горения угля 42
2.3.6 Исследование качества курительного изделия для кальяна 43
2.3.6.1 Образование и оседание влажного конденсата на различных элементах кальяна в зависимости от марок
быстровозгорающегося угля 43
2.3.6.1.1 Описание аналога курительной машины 43
2.3.6.1.2 Описание усовершенствованной конструкции кальяна.44
2.3.6.1.3 Методика исследования образования и оседания влажного конденсата на различных элементах кальяна в зависимости от марок быстровозгорающегося угля 45
2.3.6.2 Методика исследования влияния общего объема прокуривания на образование влажного конденсата и его оседания на различных элементах кальяна 47
2.3.6.3 Содержание окиси углерода в дыме кальяна
2.3.6.3.1 Описание аналога курительной машины для сбора газовой фазы дыма кальяна 48
2.3.6.3.2 Методика определения влияния объема воздуха, прошедшего через уголь, на изменение содержания окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна 49
2.3.6.3.3 Методика определения влияния конструкции кальяна на содержание окиси углерода в газовой фазе его дыма...51
2.3.6.3.4 Методика определения содержания окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна при использовании обычного древесного угля 52
3 Результаты экспериментальных исследований и их интерпретация 53
3.1 Определение параметров прокуривания кальяна 53
3.1.1 Моделирование влияния сопротивления кальяна на параметры курения 53
3.1.1.1 Результаты исследований 55
3.1.2 Определение продолжительности и интервалов между затяжками в естественных условиях курения 69
3.2 Изменение температуры и объемного расхода газов при горении трех марок быстровозгорающегося угля для кальяна 75
3.2.1 Результаты исследований 76
3.3 Водно-физические свойства быстровозгорающегося угля для кальяна 91
3.3.1 Исследование массы таблеток угля в пачках 91
3.3.2 Определение влажности угля для кальяна 94
3.3.3 Зависимость особенностей горения угля от продолжительности его хранения на воздухе 95
3.4 Особенности горения быстровозгорающегося угля для кальяна 100
3.4.1 Осыпание золы в чашку для табака 100
3.4.2 Изменение аэродинамического сопротивления таблеток угля при их горении 101
3.4.3 Влияние перфорации фольги на особенности горения угля 110
3.5 Исследование качества курительного изделия для кальяна 118
3.5.1 Влияние марок быстровозгорающегося угля на образование и оседание влажного конденсата на различных элементах кальяна 118
3.5.2 Влияние общего объема прокуривания на образование влажного конденсата и изменение масс различных элементов кальяна после прокуривания 128
3.5.3 Содержание окиси углерода в дыме кальяна
3.5.3.1 Влияние объема воздуха, прошедшего через уголь, на изменение содержания окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна 142
3.5.3.2 Влияние конструкции кальяна на содержание окиси углерода в газовой фазе его дыма 144
3.5.3.3 Определение содержания окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна при использовании обычного древесного угля 147
4 Экономическая эффективность 150
4.1 Разработка нормативной документации 150
4.2 Социальный эффект 150
4.3 Экономический эффект от использования методик по оценке качества курительного изделия для кальяна 151
Выводы и предложения 153
Литература
- Физическая природа процесса образования дыма в кальяне
- Изменение температуры и объемного расхода газов при горении различных марок быстровозгорающегося угля для кальяна
- Моделирование влияния сопротивления кальяна на параметры курения
- Влияние общего объема прокуривания на образование влажного конденсата и изменение масс различных элементов кальяна после прокуривания
Введение к работе
1.1 Актуальность темы. В последние годы в России и мире постоянно растет популярность кальяна, поэтому табак для кальяна был включен в федеральный закон «Технический регламент на табачную продукцию» (2008 г).
Кальян – устройство для курения, состоящее из сосуда с жидкостью, шахты, специальной керамической чашки и шланга с мундштуком. После сборки составных частей в чашку помещается табак для кальяна, и она плотно обтягивается фольгой, в которой проделываются отверстия. Затем на фольгу помещается разожженный уголь. Для курения удобнее всего использовать специальный быстровозгорающийся древесный уголь для кальяна, который представляет собой спрессованные таблетки, обработанные компонентами, которые способствуют быстрому возгоранию угля. Однако можно использовать и обычный древесный уголь. Табак для кальяна представляет собой липкую пастообразную массу, которая состоит из глицерина (20 – 30 %), воды (17 – 22 %), фруктозы (10 – 30 %), глюкозы (10 – 20 %), табачного сырья (не более 15 – 20 %).
В отличие от других видов курительных табачных изделий в кальяне дым образуется не в результате горения табака для кальяна, а при испарении и последующей конденсации его компонентов. При осуществлении затяжки воздух проходит через уголь, нагревается и насыщается газообразными продуктами горения угля, затем проходит через отверстия фольги и слой табака для кальяна, прогревает его и насыщается испаряющимися компонентами. По мере продвижения по шахте происходит охлаждение и конденсация испарившихся из табака для кальяна компонентов в аэрозоль.
В настоящее время в России исследования направленные на обеспечение качества курительного изделия для кальяна отсутствуют, а проведенные за рубежом недостаточны и часто не представляют научного интереса.
В связи с ростом популярности кальяна актуальным становится обеспечение качества курительного изделия для кальяна. Следует отметить, что пока отсутствует четкое определение «курительного изделия для кальяна». Только табак для кальяна нельзя считать курительным изделием, потому что без угля его курить невозможно. Таким образом, курительным изделием следует считать табак и уголь для кальяна, поскольку они используются только совместно и расходуются в процессе курения.
Качество курительного изделия для кальяна, по аналогии с оценкой качества сигарет, в дальнейшем можно оценивать по содержанию «смолы» и никотина в конденсате его дыма. Однако в настоящее время использовать для оценки качества курительного изделия для кальяна термин «смола» не представляется возможным, поскольку «смола» – это масса влажного конденсата, за вычетом никотина и воды. Для кальяна отсутствуют стандартные методики и оборудование, позволяющие определять содержание никотина и воды во влажном конденсате. Более целесообразно для оценки качества курительного изделия для кальяна использовать массу влажного конденсата и содержание окиси углерода в дыме кальяна.
Таким образом, факторы, влияющие на формирование качества курительного изделия для кальяна, мало изучены в России и за рубежом, поэтому актуальны исследования в данной области.
Диссертационная работа выполнена в ГНУ ВНИИТТИ в соответствии с программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 – 2010 гг., этап 10.02.04 «Разработать сквозные современные аграрно-пищевые технологии продуктов питания на основе исходных требований к пищевой и технологической адекватности сырья», НИР 10.02.04.01 «Разработать научные основы ресурсосберегающих технологий для создания табачных изделий пониженной токсичности с заданными потребительскими свойствами на основе использования новых физических методов обработки» (№ госрегистрации 15070.7709022913.06.8.003.0).
1.2 Цель работы и основные задачи исследований. Целью работы являлось изучение влияния различных факторов на формирование качества курительного изделия для кальяна.
В соответствии с поставленной целью, решались следующие задачи:
– определить параметры прокуривания кальяна;
– изучить свойства быстровозгорающегося угля для кальяна;
– установить влияние марок быстровозгорающегося угля для кальяна на образование и оседание влажного конденсата на различных элементах кальяна;
– выявить влияние общего объема прокуривания на образование влажного конденсата и изменение масс различных элементов кальяна после прокуривания;
– определить влияние объема воздуха, прошедшего через уголь, на изменение содержания окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна;
– изучить влияние конструкции кальяна на содержание окиси углерода в газовой фазе его дыма;
– определить содержание окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна при использовании обычного древесного угля;
– разработать методики и лабораторные установки для исследования влияния различных факторов на формирование качества курительного изделия для кальяна;
– определить социально-экономический эффект от внедрения методик по оценке качества курительного изделия для кальяна;
1.3 Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования по выявлению влияния различных факторов на формирование качества курительного изделия для кальяна. Определены параметры прокуривания кальяна и изучены свойства быстровозгорающегося угля для кальяна.
Определено влияние марок быстровозгорающегося угля для кальяна и общего объема прокуривания на количество образующегося влажного конденсата и его оседания на шахте, шланге, в колбе кальяна.
Изучена динамика изменения содержания окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна при его курении, изучено влияние конструкции кальяна и обычного древесного угля на содержание окиси углерода в газовой фазе дыма кальяна.
Разработаны инструментальные методы оценки качества курительного изделия для кальяна, позволяющие определять в его дыме содержание влажного конденсата и окиси углерода.
1.4 Практическая значимость. Практическую значимость работы представляют 5 конструкций модельных установок, 9 методик, 2 патента РФ на полезную модель (№ 75546, 63179), которые позволяют получать сравнимые данные и могут быть использованы при разработке нормативов и показателей токсичности курительного изделия для кальяна, а также при его производстве.
1.5 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены: на VII и VIII региональных научно-практических конференциях молодых ученых в 2005 и 2006 году (г. Краснодар), на Всероссийской научно-практической конференции «Стратегия научного обеспечения развития конкурентоспособного производства отечественных продуктов питания высокого качества» в 2006 г. (г. Волгоград), на научно-практической конференции «Интеграция фундаментальных и прикладных исследований – основа развития современных аграрно-пищевых технологий» в 2007 г. (г. Углич), на конференции-конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых и специалистов за 2008 год (г. Москва).
1.6 Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 – в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК РФ, 5 – в материалах научно-практических конференций, получено 2 патента РФ на полезную модель, 3 – в других изданиях.
1.7 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора литературы, методической части, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 163 страницах и содержит 13 таблиц и 95 рисунков. Список литературы включает 90 источников, из них 73 зарубежных авторов.
Физическая природа процесса образования дыма в кальяне
Существуют различные версии о месте и времени появления кальяна, поэтому сложно установить начало его использования и место происхождения. Для курения кальян использовался в районах Китая, Индии, Пакистана, Восточного Средиземноморья [32, 35, 39, 40, 46, 47, 51, 58, 66, 67, 69, 74].
Отмечается, что кальян использовался жителями Азии и Африки в течение 400 лет [30]. Однако по другим данным на территории Эфиопии найден сосуд, который использовался для курения в 13 — 14 веке [28, 83].
В мире ежедневно курят кальян более 100 млн. человек [86]. В последние годы наблюдается рост популярности этого способа курения. Вероятными причинами такого распространения является мнение о безопасности кальяна по сравнению с сигаретами, а также его социальное значение [42, 86].
Рост популярности кальяна подтверждается данными статистики. В 2001 г. 21,1 % опрошенных студентов различных университетов Бейрута заявили о постоянном курении кальяна, а по данным опроса, проведенного в Американском университете Бейрута в 2002 г., их количество увеличилось до 28,3 % [27, 77]. Похожая картина наблюдается для людей, когда-либо пробовавших курить кальян: в 1998 г. их было 30 %, а в 2002 - уже 43% [27, 68].
В результате анализа установлено, что люди разного возраста кальян, в отличие от сигарет, начинали курить приблизительно одновременно в 90-ые годы. Это, возможно, связано с появлением ароматизированного, соусированного кальянного табака, т.н. Maassel, который сейчас наиболее популярен. Этот табак более удобен, поскольку в отличие от других форм (например Ajami), перед использованием его не надо увлажнять, отжимать и подсушивать [53]. Только 3 % опрошенных сирийских студентов курят, популярный ранее, кальянный табак Ajami [51]. Готовый к потреблению и упакованный Maassel сейчас приобретает все большую популярность в США и странах Средиземноморья [43]. Продажи Maassel в Бахрейне в 1996 г. составили 12 млн. долларов, а за последние годы потребность в этом кальянном табаке возросла на 36 % [41]. По данным опросов, проведенных в 300 египетских кафе, 74 % из них используют Maassel [58].
Кальян потребляется во многих арабских странах, Турции, Индии, Пакистане, некоторых районах Китая. В некоторых регионах курение кальяна распространено больше, чем курение сигарет. Во многих арабских странах курение кальяна менее дифференцировано по половому признаку, чем сигареты, поскольку к женщинам, потребляющим кальян, существует значительно меньше предубеждений [42, 50, 52, 77].
В Ливане курят кальян 14,6 % взрослых и 25% от опрошенных беременных женщин [20, 26]. В Сирии 62,6 % мужчин и 29,8 % женщин пробовали кальян, но 25,5 % мужчин и 4,9 % женщин являются его постоянными курильщиками [51]. Среди государственных служащих Кувейта 57 % мужчин и 69 % женщин пробовали кальян [54]. 37,7 % израильских студентов пробовали курить кальян [37]. Среди израильских школьников 41% пробовали курить кальян, 22 % курили его каждую неделю. В целом для израильских школьников курение кальяна в три раза более распространено, чем курение сигарет [84]. Данные опросов европейцев и жителей США не обнародовались, однако отмечается появление десятков кальянных кафе в крупных городах США [21].
Рынок кальянных Табаков в России начал функционировать в 2003 г. Ранее он в основном был представлен контрабандой и контрафактом. В 2003 г. впервые было импортировано 6,1 тонны этого продукта из Египта и Нидерландов. В 2005 г. объем импорта составил 29,6 тонн [11].
Отмечается что курение кальяна в России - прежде всего дань моде, пришедшей в последние годы с Востока на Запад. Указывается, что для нашей страны большое значение в распространении такого способа курения имеют переселенцы из Средней Азии и Кавказа [11]. Однако это утверждение является спорным. Мода часто имеет циклический характер: что было модно вчера, сегодня уже не модно, а завтра снова модно и т.д. Потребление кальянного табака в течение пяти лет постоянно растет. Первичное знакомство с кальяном может быть связано с модой на восточное мировоззрение, однако последующее его курение связано с другими факторами. Скорее всего, основную роль играет специфика аромата и вкуса дыма, приятная обстановка, располагающая к общению. Человек, скорее всего, не будет следовать моде, если это ему не нравится, он испытывает неприятные ощущения или дискомфорт. Безусловно, мнение о меньшей вредности, по сравнению с другими способами потребления табака, способствует росту популярности кальяна [11, 42, 45, 86].
В России существуют проблемы идентификации этого продукта, определения ценовой политики импортеров, таможенного контроля. Отмечается, что рынок нуждается в государственном контроле и тарифном регулировании через акциз и другие налоги, которыми, как считают авторы, должна облагаться вся табачная продукция. Указывается необходимость анализа зарубежных исследований и проведения отечественных, для выработки гигиенических требований к кальянному табаку, его сертификации, идентификации, а также с целью осуществления государственного контроля [11,15].
На российском рынке кальянного табака в больших объемах присутствует контрабанда; По оценкам экспертов московский рынок примерно на 30 % представлен нелегальным продуктом [11, 15].
Из-за отсутствия надежных данных по функционированию рынка кальянного табака в России в настоящее время нет возможности дать достоверную оценку по его физическим и стоимостным показателям. Анализ
Изменение температуры и объемного расхода газов при горении различных марок быстровозгорающегося угля для кальяна
В исследованиях использовался быстрозгорающийся уголь трех марок. Перед проведением экспериментов с одной маркой угля все таблетки взвешивались. Чашка для табака лабораторной установки обтягивалась фольгой, в которой затем проделывались 30 отверстий шилом диаметром 1,5 мм. Количество отверстий в фольге выбиралось таким образом, чтобы таблетка угля полностью их накрывала.
Включался насос и вентилем (2) устанавливался поплавок ротаметра на отметке 60±2 делений, что соответствует объемному расходу 207±7 мл/с. Выключался насос.
Секундомер включался непосредственно перед разжиганием таблетки угля, которая, в зависимости от интенсивности разгорания, держалась над пламенем зажигалки в течение 10-30 секунд. Затем разгорающаяся таблетка помещалась на отверстия перфорированной фольги таким образом, чтобы она их полностью накрывала. Происходило выгорание селитры: наблюдалось перемещение воспламеняющегося фронта по поверхности таблетки угля. Окончание выгорания селитры фиксировалось по завершению продвижения воспламеняющегося фронта, сразу включался насос, записывались время выгорания селитры и показания ротаметра. Первые 2-3 минуты от момента включения зажигалки каждую минуту записывались только показания ротаметра, поскольку ртутный столбик находился выше уровня муфты, и считывание температуры было невозможно. Каждую минуту, начиная с третьей, записывались показания термометра и ротаметра. Окончанием горения таблетки считался момент достижения газами температуры 120 С. После окончания горения первой таблетки, установка охлаждалась в течение 20-30 минут, частично разбиралась для очистки термометра от осевшей на него золы.
Затем установка снова собиралась, фольга, в случае прогорания, заменялась, и снова повторялись перечисленные выше операции. В исследованиях свойств каждой марки угля использовали по 8 — 9 таблеток.
Перед проведением различных опытов сразу после вскрытия пачек, таблетки быстровозгорающегося угля марки 1 взвешивались на весах РМ480. После накопления данных взвешиваний каждой таблетки из 15 пачек угля проводилась их статистическая обработка.
При определении влажности использовалось по одной пачке угля марки 1 и марки 2. Сушильный шкаф прогревался до температуры 105 С, пачки угля вскрывались, и каждая таблетка взвешивалась до второго знака на весах РМ480. При высушивании в шкафу, с целью маркировки, таблетки угля из двух пачек помещались на 20 пронумерованных конвертов. Для того чтобы каждая таблетка угля высушивалась одинаковое время, помещение ее в шкаф осуществлялось сразу после взвешивания и маркировки. В процессе сушки таблетки каждые 15 минут вынимались и взвешивались в той же последовательности, что помещались в шкаф.
При исследовании влияния перфорации фольги на особенности горения угля для кальяна было замечено, что продолжительность выгорания селитры распакованного угля после хранения на воздухе изменяется. Было предположено, что также изменяются другие свойства угля, и полученные данные не использовались для определения влияния перфорации на особенности горения угля, а были отсортированы на группы по продолжительности нахождения таблеток на воздухе. Первая группа была на воздухе порядка одного часа, вторая — трех, третья — пяти.
Для проведения экспериментов была разработана и собрана установка, изображенная на рисунке 2.4. Она состоит из насоса (1), вентиля (2), газосчетчика (3), ротаметра (4), фильтра (5), теплообменника (6), кальяна (7). Насос (1) служит для протягивания газов через систему, а вентиль (2) - для регулирования объемного расхода газов через систему. Чем больше он открыт, тем больше насос втягивает газов из атмосферы, и, соответственно, меньше от кальяна. Объем газов, проходящих через кальян, измеряется газосчетчиком (3). По ротаметру (4) в начале опыта устанавливается объемный расход газов, проходящих через кальян. Фильтр (5) предотвращает загрязнение ротаметра (4) и газосчетчика (3). Теплообменник (6) служит для охлаждения горячих газов, обеспечивая точные измерения ротаметром (4) и газосчетчиком (3).
Пачка с углем вскрывалась и помещалась в эксикатор с силикагелем, и, после выдерживания в течение пяти дней, каждая таблетка взвешивалась и хранилась в эксикаторе до момента ее использования.
Чашка для табака взвешивалась до и после заполнения отрезками листового алюминия V-образной формы, толщиной порядка 0,1 мм, общей длиной 16-20 мм, шириной 4-6 мм. Масса отрезков, помещаемых в чашку, составляла 1,3±0,05 г.
Собиралась установка. Чашка для табака обтягивалась фольгой, в которой проделывалось 30 отверстий диаметром 1,5 мм. Шахта кальяна и чашка соединялись с помощью алюминиевой фольги, для предотвращения разрушения обычного полимерного уплотнения из-за высокой температуры. Включался насос и, по ротаметру (4) вентилем (2), объемный расход устанавливался на 40±2 делений, что составляет 143±6 мл/с. Это значение на 20 мл/с меньше рекомендуемого для максимальной точности измерений газосчетчиком барабанным (3). После этого выключался насос.
Одна таблетка угля, поджигалась и помещалась на перфорированную фольгу. После выгорания селитры включался насос и секундомер. Каждую минуту до конца опыта записывались показания газосчетчика. Насос выключался после протягивания через систему 100 литров воздуха. Затем с установки снималась чашка для табака, которая взвешивалась после удаления с нее перфорированной фольги. Таким способом определялась масса золы, попадающей в чашку при горении угля. После этого отрезки листового алюминия удалялись из чашки, промывались и прокаливались на электрической плитке. Чашка очищалась от золы, заполнялась промытыми и прокаленными отрезками листового алюминия, и снова повторялись все операции
Изменение аэродинамического сопротивления таблеток угля при их горении Используемые установки позволяют сравнивать аэродинамические сопротивления угля, по изменениям объемного расхода. Первая группа данных объемного расхода для 7 таблеток была получена при определении оседания золы в чашке кальяна (см. 2.3.5.1.2), а вторая была рассчитана по продолжительностям затяжек, полученных при исследовании влияния марок угля на массу конденсата (см. 2.3.6.1).
Моделирование влияния сопротивления кальяна на параметры курения
Из-за низкого содержания никотина в кальянном табаке по сравнению с сигаретами, а также существенных различий в продолжительности сравниваемых способов курения, очевидно, что концентрация никотина в дыме кальяна незначительна. Можно предположить, что курильщик не сможет ощутить изменения потребленного никотина регулированием параметров прокуривания. В дыме кальяна концентрация никотина, возможно, настолько низкая, что курильщик не будет его ощущать при осуществлении затяжки любого объема. В этом случае, основными факторами, влияющими на параметры курения, будут аэродинамическое сопротивление кальяна, и особенности легких курильщика. Учитывая эти факты, можно предположить, что затяжка кальяна, в случае отсутствия дефектов вкуса, будет осуществляться без перенапряжения легких, то есть так же, как при обычном дыхании. Однако аэродинамическое сопротивление кальяна может меняться и быть значительно выше, чем сопротивление на вдохе при обычном дыхании.
Таким образом, необходимо определить параметры прокуривания кальяна и установить их связь с его аэродинамическим сопротивлением с целью разработки курительной машины и последующего анализа качества курительного изделия для кальяна.
Распределение аэродинамических сопротивлений кальяна необходимо знать, так как от их величины, вероятнее всего, зависят параметры курения. В деталях кальяна происходит падение давлений и перераспределение скоростей потока, что сопровождается потерями энергии, которые покрываются за счет силы легких курильщика, что влияет на параметры курения.
При курении кальяна в качестве внешнего источника, тепла используют специальный уголь, угля, глубины погружения трубки шахты в воду, особенностей перфорации поскольку кальянный табак очень влажный, и в процессе курения не происходит его горения. Таким образом, воздух проходит через тлеющий уголь, перфорацию фольги и слой кальянного табака. Газы продвигаются по шахте, конденсируются в аэрозоль, и, барботируя через воду, попадают в колбу. Из нее по шлангу с мундштуком дым поступает к курильщику. Полная потеря давления Дрп определяется как сумма потерь на каждом из этих участков [6]. дрп = дру + дрф + дрт + дрч + дрш + дрв + дршл + дрм , (3.1) где Дрі - местные потери давления при прохождении через: дру — уголь, дрш — шахту кальяна, Дрф — перфорированную фольгу, Дрв — столб воды, Дрт — слой кальянного табака, Дршл — шланг, Дрч — чашку для табака, Дрм — мундштук. При одинаковых параметрах потока газов, постоянными остаются местные потери давления дрч, Дрш, Дршл? дРм- Все остальные могут меняться в зависимости от особенностей закладки кальянного табака, свойств фольги. Геометрические размеры, входящих составных частей кальяна могут быть неодинаковыми и, значит, для разных кальянов местные потери давления Дрч, дрш, Дршл, АРм будут отличаться.
Из рисунка видно, что кривые расположены практически равномерно в пределах вариационного размаха. Однако эти зависимости для разных испытуемых, отличаются. Для половины испытуемых при увеличении аэродинамического сопротивления наблюдается уменьшение объема затяжки, а для другой половины - сначала рост, а затем уменьшение объема затяжки. Максимальные значения объема затяжки каждым испытуемым достигаются для разных диаметров проходного отверстия, а не для наибольших, как можно было бы предположить, это, вероятно, связано с физиологическими особенностями работы легких.
На рис. 3.2 представлена зависимость средних значений объема затяжки от диаметра проходного отверстия.
Зависимость средних значений объема затяжки от диаметра проходного отверстия Из рисунка видно, что средние значения объема затяжки при увеличении аэродинамического сопротивления системы снижаются. Таким образом курильщик реагирует на увеличение аэродинамического сопротивления снижением объема затяжки.
Коэффициент вариации объема затяжки для десяти испытуемых составляет порядка 35 - 40 %, такие высокие значения обусловлены неоднородностью физических возможностей легких человека (рис. 3.17).
На рис. 3.3 представлена зависимость вариационного размаха объема затяжки от диаметра проходного отверстия. Из рисунка видно, что вариационный размах объема затяжки очень большой, а его значения одинаковы для отверстий диаметром 6 и 8 мм, а также 4 и 10 мм. Однако при осуществлении затяжек через отверстия диаметром 4 и 10 мм испытуемые не находятся в одинаковых условиях. Скорее всего, такие результаты связаны с тем, что для всех испытуемых опыт начинался с отверстия диаметром 10 мм, и они приспосабливались к условиям опыта.
При увеличении аэродинамического сопротивления системы (для отверстий диаметром менее 6 мм) происходит снижение вариационного размаха, что свидетельствует о наличии фактора, который ограничивает возможность людей осуществить затяжку большего объема. Вариационный размах объема затяжки для отверстия диаметром 2 мм, по сравнению с остальными диаметрами, практически в три раза меньше. Аэродинамическое сопротивление системы для отверстия диаметром 2 мм, вероятно, всеми испытуемыми воспринимается как очень высокое, сопряженное с чрезмерной перегрузкой легких.
Таким образом, для любого человека объем затяжки при аэродинамических сопротивлениях, эквивалентных диаметрам отверстий, использованных в исследованиях, будет находиться в интервале между верхней и нижней кривой и не превысит 1,6 л. При увеличении аэродинамического сопротивления системы уменьшается ширина доверительного интервала. Следовательно, чем больше аэродинамическое сопротивление системы, тем точнее можно определить объем затяжки для любого курильщика, и ему все труднее их осуществлять, поскольку его возможности ограничиваются повышенным аэродинамическим сопротивлением системы.
Влияние общего объема прокуривания на образование влажного конденсата и изменение масс различных элементов кальяна после прокуривания
Для исследованных марок угля изменения во времени температуры и объемного расхода газов различны, однако, почти для всех таблеток их быстрые изменения связаны между собой. Для всех марок угля, быстрое уменьшение объемного расхода приводит к быстрому увеличению температуры, с запаздыванием около одной минуты, и наоборот: увеличение объемного расхода - к уменьшению температуры. Запаздывание температуры по отношению к объемному расходу связано с инерционностью термометра.
Очень редко наблюдается отсутствие связи явных изменений температуры или объемного расхода между собой, или отсутствие изменений температуры при слабом колебании объемного расхода. Незначительные изменения объемного расхода лежат в пределах ошибки ротаметра, так как его поплавок колеблется возле значения и его считывание не обеспечивает достаточной точности, а инерционность термометра не позволяет обнаружить слабые изменения температуры.
В случаях значительных колебаний температуры или объемного расхода без изменения второго параметра, возможно, происходит такое перенаправление потока воздуха через уголь, из-за его разрыхления и нарушения структуры, которое сопровождается увеличением доступа воздуха и, соответственно, более интенсивным его горением. Таким образом, быстрое изменение объемного расхода приводит к быстрому изменению температуры.
Для сравнения свойств трех марок угля были построены графики изменений во времени средних значений температуры, объемного расхода, а также коэффициентов вариации температуры и объемного расхода.
Из рисунка видно, что уголь марки 1 через 4-5 минут после начала опыта достигает максимума 220С, затем температура плавно снижается. Уголь марки 2 достигает максимума 255С через 17 минут, а затем происходит более быстрое, по сравнению с другими марками, снижение температуры. Уголь марки 3 достигает максимума 220 С через шесть минут, и температура остается приблизительно постоянной до 11 минуты, после чего происходит плавное ее снижение. Наибольшие значения температур для марок 1 и 3 приблизительно совпадают, но для марки 3 они дольше сохраняются и медленнее снижаются. Максимум температуры для угля марки 2 на 40 С больше, чем для двух других марок.
Из рисунка видно, что уголь марки 1 достигает своего максимального объемного расхода 175 мл/с через четыре минуты после начала опыта, а затем он плавно снижается. Уголь марки 2 достигает минимального объемного расхода через четыре минуты, и остается приблизительно постоянным до 14 минуты, затем происходит его увеличение. Для угля марки 3 наблюдается скачкообразное увеличение объемного расхода. Для угля марки 1 средний объемный расход составляет порядка 170 мл/с, марки 2-80 мл/с, марки 3 - 100 мл/с, поэтому аэродинамическое сопротивление угля марки 2 самое высокое, а марки 1 - самое низкое.
Из рисунка видно, что кривые изменений коэффициентов вариации температуры имеют схожую форму, а для угля марок 1 и 3 их форма практически совпадает, но кривая для марки 3 смещена немного вправо, а участок постоянных коэффициентов вариации продолжается на три минуты меньше. Для угля марки 2 коэффициенты вариации больше, а участок постоянных значений отсутствует. Для всех марок угля происходит сначала снижение коэффициентов вариации, а затем их увеличение.
Из рисунка видно, что для разных марок угля коэффициенты вариации объемных расходов сильно отличаются, но для марок 1 и 2 происходит сначала снижение значений, затем в течение некоторого времени они остаются постоянными, после чего происходит их увеличение. Для угля марки 3 наблюдается две области постоянных коэффициентов вариации. Для трех марок угля значения в областях постоянных коэффициентов вариации различны. Минимальный коэффициент вариации порядка 5 % характерен для угля марки 1, а максимальный 25 - 30 % - для угля марки 3. Можно отметить, что для всех марок, через некоторое время горения, коэффициенты вариации снижаются и остаются постоянными в течение нескольких минут, а затем они увеличиваются.
Для более полного сопоставления свойств угля были построены кривые изменений коэффициентов вариации температуры и объемного расхода отдельно для каждой марки (рис. 3.34 - 3.36).
