微熱管儲存裝置的設計與試驗研究

徐曉萍　許艷玲　南有恒　潘鵬飛　崔雯雯　李冰

摘 要：為方便儲存果蔬，利用熱管結構簡單、溫差小、成本低、安全可靠等優點設計微熱管果蔬保鮮儲存裝置，對果蔬進行儲存保鮮試驗研究。結果表明，在本試驗條件下，熱管最佳工作狀態時充液率為20%；熱管數量越多，長度越長，降溫效果越明顯，降溫速度越快。微熱管儲存裝置在一定程度上能夠達到對蔬菜降溫保鮮效果。

關鍵詞：微熱管；保溫裝置；蔬菜儲存

中圖分類號：S609+.3 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.040

Design of Micro Heat Tube Storage Device and Experiment Research

XU Xiao-ping，XU Yan-ling，NAN You-heng，PAN Peng-fei，CUI Wen-wen，LI Bing

（Tianjin Agricultural University， Basic Science College， Tianjin 300384，China）

Abstract： Designed a micro tube fruits and vegetables storage device making use of the heat tube with advantages of simple structure， small temperature difference， low cost， safe and reliable， etc. Under our experiment conditions， the best fluid filling rate is 20%， and the more heat tube number and the more longer length， the more obvious the cooling effect and the faster cooling rate. The heat tube storage device can achieve cooling and preservation of vegetables.

Key words： micro heat pipe； insulation device； incubator； gravity heat pipe

在眾多的傳熱元件中，熱管是有效的傳熱元件之一，它是利用相變原理工作的。可以將大量的熱量通過很小的截面遠距離的傳輸而無需輔助動力，已經在工業中廣泛應用[1]。熱管的工作溫區是-273～1 000 ℃[2]，它具有其他傳熱技術所不具備的許多優點：卓越的傳熱效率及可靠性、隔離性、低阻力、體積小、可控制等[3]。Cotter于1984年在日本舉行的“第五屆國際熱管會議”提出了微熱管（micro heat pipe，MHP）的概念。人們對MHP進行了大量的理論和試驗研究，并取得了一系列的研究成果[4]。基于熱管的諸多的優點，在新能源的開發、太陽能的利用、農業大棚的應用[5]、電子裝置芯片的冷卻、 筆記本電腦 CPU的冷卻[6]以及大功率散熱器[7]、可控硅元件、電路控制板等的冷卻，化工、石油、建材輕工、冶金、動力、陶瓷、制冷空調等領域的高效傳熱傳質設備的開發，都將促進熱管技術的進一步發展[1]。所以我們結合熱管設計簡易的保溫儲存裝置，以期能夠達到果蔬的保鮮效果，將其引用到日常生活中來。

1 熱管儲存裝置的設計

保溫裝置的設計：主要是針對其用途結合熱管的諸多特性及工作原理，設計出應用于日常生活中的簡易保溫設備，達到美觀、實用、簡捷、便攜、體積小，充分的發揮熱管的特性。保溫裝置結構：該裝置有內外兩層，內層是隔熱材料，與外界絕熱，外層背面有散熱孔，熱管的絕熱段、冷卻段在保溫箱夾層中，熱管的蒸發段彎曲伸入保溫箱內部，縱面切圖如圖1所示。

保溫箱內部的熱量通過熱管的蒸發段傳到冷卻段，即熱量從保溫箱內部傳到了保溫箱夾層，再從保溫箱夾層通過背面的散熱孔將熱量散發出來，從而完成了熱量從內向外的傳輸過程。固定放置的保溫裝置的設計裝置圖如圖2所示。

2 熱管參數的選擇

重力熱管包括：熱管殼體和工作介質兩部分，典型重力熱管結構如圖3所示。當熱管的加熱端受熱時，管內液體工質蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段，在冷凝段放出蒸發潛熱冷凝結成液體，液體靠重力的作用流回到蒸發段。如此循環不已，就把大量的熱量散發出去。

為了便于觀察，試驗首先以真空玻璃管做殼體，蒸餾水作為工質，考察試驗條件下最佳充液率；然后在該充液率下考察管長、管數量的降溫效果。最后在試驗范圍內選擇最佳試驗條件，利用目前較常用的銅質熱管對蔬菜進行保鮮試驗。

熱管能否正常工作，主要取決于熱管內的真空度及熱管的密封性。本試驗用的XZ型真空泵可使熱管內的真空度達到0.5 Mp。以下是水的沸點與壓力的對應關系（表1）。

我們制作的熱管理論上在33 ℃就可以正常工作。下面就是解決熱管的密封性的問題，也是試驗的一大難點。經過多次試驗，我們選擇用4#真空封脂和聚四氟密來封橡膠管和玻璃管的接頭處，之前有試過用閥門密封，效果不是很好。橡膠管的密封是用兩個皮管夾完成的。抽完真空后，先用一個皮管夾夾住橡皮管，然后立即往橡皮管的另一端加滿蒸餾水，再用一個皮管夾夾住橡皮管，用水把熱管內的空氣與外界隔開，保持真空度。經過測試，這種方法的效果比較好。而銅質熱管采用焊接技術進行密封。

2.1 熱管充液率的考察

本試驗是在其他條件不變的情況下研究充液率與熱管的性能的關系。分別在充液率為5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%時，通過試驗確定熱管最佳工作狀態下對應的工質充液率。

試驗內容是測量熱管把溫度為40 ℃的水降低到30 ℃的過程中，對溫度降低起的作用。由于試驗環境和實驗儀器的局限性，每次測量時的初始溫度會有較小的誤差，實驗室的溫度也會對試驗結果帶來影響，但不會影響每組數據的可比性。本試驗是每2分鐘記錄一次溫度，結果見圖4。

試驗結果表明，當充液率為20%時，降溫效果較其他的效果明顯，此時熱管的傳熱性能最好，具有良好的工作效率。充液率為5%和10%時，由于管內工質的量太少，熱管內部會發生干涸現象，影響熱管的正常工作。充液率為35%和40%時，管內工質的量太多，當熱管正常工作時，液體經常沖刷凝結段的一部分表面積，也會導致熱管工作效率降低。其他充液率時熱管的傳熱效率也不是很好，可能是由于熱管受熱時，管內蒸汽太多，不能及時回流，導致管內氣壓升高，水的沸點也會升高，使熱管無法正常工作。

2.2 熱管數量的考察

下面試驗均采用銅質熱管。

試驗分兩組進行，分別是試驗組和對照組。試驗組插入抽真空熱管和溫度計，對照組只插入溫度計。10 cm熱管分別1，2，4 根，如圖5所示。

從圖5可以看出，在熱管長度相同的條件下，不同數量的熱管插入燒杯中，把水溫從40 ℃降到30 ℃過程中，4根熱管起初降溫速度最快，所需時間最短，其次是2根熱管，1根熱管達到30 ℃所需時間最長。

2.3 熱管長度的考察

從圖6可以看出，在熱管數量相同的條件下，不同長度的熱管插入燒杯中，把水溫從40 ℃降到30 ℃過程中，20 cm長度的熱管比10 cm長度的熱管起初降溫速度快，所需時間短。

2.4 熱管在蔬菜儲藏保鮮中的應用效果的試驗研究

本試驗準備兩個完好的泡沫箱，在頂蓋上安裝兩塊玻璃（一方面便于觀察，另一方面保證蔬菜能夠被陽光照射到），其中一個保溫箱頂蓋上鑲入8根熱管，以有熱管的保溫箱為試驗組，沒有熱管的為對照組，分別放入同等重量的新鮮油菜（2 kg），由于油菜容易腐爛，蓋上蓋子，放在陽關下，同時進行試驗，每隔24 h觀察一次，觀察油菜的腐爛程度，連續觀察7 d，對比油菜的腐爛程度，從而得出結論。試驗觀察結果如圖7所示。

從圖7中顯示的結果來看，試驗組油菜的腐爛程度比對照組的腐爛程度低，也就是說熱管能在一定程度上保鮮，能夠降低蔬菜的腐爛速度，起到蔬菜的保鮮效果。但是這只是感官上的，無法用具體的實驗數據量化的顯示。

3 結 論

通過對果蔬保鮮裝置的設計，以及熱管的傳熱性能試驗，主要得出以下結論：

初步設計了微熱管果蔬儲存裝置。通過試驗得出結論：在本試驗條件下，熱管最佳工作狀態時充液率為20%；熱管數量越多、長度越長，降溫效果越明顯，降溫速度越快；微熱管儲存裝置能在一定程度上保鮮，能夠降低蔬菜的腐爛速度，起到蔬菜的保鮮效果。但熱管數量如果過多，會增加儲存裝置的重量，所以需要進一步研究微熱管儲存裝置的最佳設計條件，并制造出成品得以推廣。

參考文獻：

[1] 蔡衛東.熱管技術研究進展及其在制冷空調行業總的應用[J].制冷與空調，2003（3）：31-35.

[2] 張永梅，由宏君.淺析熱管換熱器性能特點[J].當代化工，2003，32（1）：52-55.

[3] 李西兵，李勇.燒結式微熱管吸液芯的成型方法[J].華南理工大學學報：自然科學版，2008，36（10）：114-119.

[4] 朱高濤，劉衛華.微型熱管技術的研究現狀與發展[J].制冷與空調.2006，6（2）：9-13.

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[6] 厲春元，楊湘洪.一種微型電子元件熱管散熱器的制作和性能[J].機械研究與應用，2008（8）：89-90.

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