微熱管儲存裝置的設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、溫差小、成本低、安全可靠等優(yōu)點設(shè)計微熱管果蔬保鮮儲存裝置，對果蔬進(jìn)行儲存保鮮試驗研究。結(jié)果表明，在本試驗條件下，熱管最佳工作狀態(tài)時充液率為20%；熱管數(shù)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(dá)到對蔬菜降溫保鮮效果。

關(guān)鍵詞：微熱管；保溫裝置；蔬菜儲存

中圖分類號：S609+.3 文獻(xiàn)標(biāo)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?？梢詫⒋罅康臒崃客ㄟ^很小的截面遠(yuǎn)距離的傳輸而無需輔助動力，已經(jīng)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用[1]。熱管的工作溫區(qū)是-273～1 000 ℃[2]，它具有其他傳熱技術(shù)所不具備的許多優(yōu)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(jìn)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]?；跓峁艿闹T多的優(yōu)點，在新能源的開發(fā)、太陽能的利用、農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)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(diào)等領(lǐng)域的高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開發(fā)，都將促進(jìn)熱管技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[1]。所以我們結(jié)合熱管設(shè)計簡易的保溫儲存裝置，以期能夠達(dá)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(shè)計

保溫裝置的設(shè)計：主要是針對其用途結(jié)合熱管的諸多特性及工作原理，設(shè)計出應(yīng)用于日常生活中的簡易保溫設(shè)備，達(dá)到美觀、實用、簡捷、便攜、體積小，充分的發(fā)揮熱管的特性。保溫裝置結(jié)構(gòu)：該裝置有內(nèi)外兩層，內(nèi)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(fā)段彎曲伸入保溫箱內(nèi)部，縱面切圖如圖1所示。

保溫箱內(nèi)部的熱量通過熱管的蒸發(fā)段傳到冷卻段，即熱量從保溫箱內(nèi)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(fā)出來，從而完成了熱量從內(nèi)向外的傳輸過程。固定放置的保溫裝置的設(shè)計裝置圖如圖2所示。

2 熱管參數(shù)的選擇

重力熱管包括：熱管殼體和工作介質(zhì)兩部分，典型重力熱管結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)熱管的加熱端受熱時，管內(nèi)液體工質(zhì)蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段，在冷凝段放出蒸發(fā)潛熱冷凝結(jié)成液體，液體靠重力的作用流回到蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，就把大量的熱量散發(fā)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(zhì)，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(shù)量的降溫效果。最后在試驗范圍內(nèi)選擇最佳試驗條件，利用目前較常用的銅質(zhì)熱管對蔬菜進(jìn)行保鮮試驗。

熱管能否正常工作，主要取決于熱管內(nèi)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(nèi)的真空度達(dá)到0.5 Mp。以下是水的沸點與壓力的對應(yīng)關(guān)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(jīng)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(nèi)的空氣與外界隔開，保持真空度。經(jīng)過測試，這種方法的效果比較好。而銅質(zhì)熱管采用焊接技術(shù)進(jìn)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(guān)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(tài)下對應(yīng)的工質(zhì)充液率。

試驗內(nèi)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(huán)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(jié)果帶來影響，但不會影響每組數(shù)據(jù)的可比性。本試驗是每2分鐘記錄一次溫度，結(jié)果見圖4。

試驗結(jié)果表明，當(dāng)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(nèi)工質(zhì)的量太少，熱管內(nèi)部會發(fā)生干涸現(xiàn)象，影響熱管的正常工作。充液率為35%和40%時，管內(nèi)工質(zhì)的量太多，當(dāng)熱管正常工作時，液體經(jīng)常沖刷凝結(jié)段的一部分表面積，也會導(dǎo)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(nèi)蒸汽太多，不能及時回流，導(dǎo)致管內(nèi)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(shù)量的考察

下面試驗均采用銅質(zhì)熱管。

試驗分兩組進(jìn)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(shù)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(dá)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(shù)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(yīng)用效果的試驗研究

本試驗準(zhǔn)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?cè)?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(guān)下，同時進(jìn)行試驗，每隔24 h觀察一次，觀察油菜的腐爛程度，連續(xù)觀察7 d，對比油菜的腐爛程度，從而得出結(jié)論。試驗觀察結(jié)果如圖7所示。

從圖7中顯示的結(jié)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(shù)據(jù)量化的顯示。

3 結(jié) 論

通過對果蔬保鮮裝置的設(shè)計，以及熱管的傳熱性能試驗，主要得出以下結(jié)論：

初步設(shè)計了微熱管果蔬儲存裝置。通過試驗得出結(jié)論：在本試驗條件下，熱管最佳工作狀態(tài)時充液率為20%；熱管數(shù)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(shù)量如果過多，會增加儲存裝置的重量，所以需要進(jìn)一步研究微熱管儲存裝置的最佳設(shè)計條件，并制造出成品得以推廣。

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