徐曉萍　許艷玲　南有恒　潘鵬飛　崔雯雯　李冰

摘 要：為方便儲(chǔ)存果蔬，利用熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫差小、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)微熱管果蔬保鮮儲(chǔ)存裝置，對(duì)果蔬進(jìn)行儲(chǔ)存保鮮試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在本試驗(yàn)條件下，熱管最佳工作狀態(tài)時(shí)充液率為20%；熱管數(shù)量越多，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，降溫效果越明顯，降溫速度越快。微熱管儲(chǔ)存裝置在一定程度上能夠達(dá)到對(duì)蔬菜降溫保鮮效果。

關(guān)鍵詞：微熱管；保溫裝置；蔬菜儲(chǔ)存

中圖分類號(hào)：S609+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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?cè)砉ぷ鞯??？梢詫⒋罅康臒崃客ㄟ^(guò)很小的截面遠(yuǎn)距離的傳輸而無(wú)需輔助動(dòng)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(diǎn)：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(guó)際熱管會(huì)議”提出了微熱管（micro heat pipe，MHP）的概念。人們對(duì)MHP進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)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(diǎn)，在新能源的開(kāi)發(fā)、太陽(yáng)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(dòng)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(kāi)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(jì)簡(jiǎn)易的保溫儲(chǔ)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(lái)。

1 熱管儲(chǔ)存裝置的設(shè)計(jì)

保溫裝置的設(shè)計(jì)：主要是針對(duì)其用途結(jié)合熱管的諸多特性及工作原理，設(shè)計(jì)出應(yīng)用于日常生活中的簡(jiǎn)易保溫設(shè)備，達(dá)到美觀、實(shí)用、簡(jiǎn)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(guò)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?gòu)谋叵鋳A層通過(guò)背面的散熱孔將熱量散發(fā)出來(lái)，從而完成了熱量從內(nèi)向外的傳輸過(guò)程。固定放置的保溫裝置的設(shè)計(jì)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(shí)，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(yàn)首先以真空玻璃管做殼體，蒸餾水作為工質(zhì)，考察試驗(yàn)條件下最佳充液率；然后在該充液率下考察管長(zhǎng)、管數(shù)量的降溫效果。最后在試驗(yàn)范圍內(nèi)選擇最佳試驗(yàn)條件，利用目前較常用的銅質(zhì)熱管對(duì)蔬菜進(jìn)行保鮮試驗(yàn)。

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(yàn)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(diǎn)與壓力的對(duì)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(wèn)題，也是試驗(yàn)的一大難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，我們選擇用4#真空封脂和聚四氟密來(lái)封橡膠管和玻璃管的接頭處，之前有試過(guò)用閥門(mén)密封，效果不是很好。橡膠管的密封是用兩個(gè)皮管夾完成的。抽完真空后，先用一個(gè)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(gè)皮管夾夾住橡皮管，用水把熱管內(nèi)的空氣與外界隔開(kāi)，保持真空度。經(jīng)過(guò)測(cè)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(yàn)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(shí)，通過(guò)試驗(yàn)確定熱管最佳工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的工質(zhì)充液率。

試驗(yàn)內(nèi)容是測(cè)量熱管把溫度為40 ℃的水降低到30 ℃的過(guò)程中，對(duì)溫度降低起的作用。由于試驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器的局限性，每次測(cè)量時(shí)的初始溫度會(huì)有較小的誤差，實(shí)驗(yàn)室的溫度也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)影響，但不會(huì)影響每組數(shù)據(jù)的可比性。本試驗(yàn)是每2分鐘記錄一次溫度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)充液率為20%時(shí)，降溫效果較其他的效果明顯，此時(shí)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(shí)，由于管內(nèi)工質(zhì)的量太少，熱管內(nèi)部會(huì)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(shí)，管內(nèi)工質(zhì)的量太多，當(dāng)熱管正常工作時(shí)，液體經(jīng)常沖刷凝結(jié)段的一部分表面積，也會(huì)導(dǎo)致熱管工作效率降低。其他充液率時(shí)熱管的傳熱效率也不是很好，可能是由于熱管受熱時(shí)，管內(nèi)蒸汽太多，不能及時(shí)回流，導(dǎo)致管內(nèi)氣壓升高，水的沸點(diǎn)也會(huì)升高，使熱管無(wú)法正常工作。

2.2 熱管數(shù)量的考察

下面試驗(yàn)均采用銅質(zhì)熱管。

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，分別是試驗(yàn)組和對(duì)照組。試驗(yàn)組插入抽真空熱管和溫度計(jì)，對(duì)照組只插入溫度計(jì)。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(zhǎng)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(guò)程中，4根熱管起初降溫速度最快，所需時(shí)間最短，其次是2根熱管，1根熱管達(dá)到30 ℃所需時(shí)間最長(zhǎng)。

2.3 熱管長(zhǎng)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(zhǎng)度的熱管插入燒杯中，把水溫從40 ℃降到30 ℃過(guò)程中，20 cm長(zhǎng)度的熱管比10 cm長(zhǎng)度的熱管起初降溫速度快，所需時(shí)間短。

2.4 熱管在蔬菜儲(chǔ)藏保鮮中的應(yīng)用效果的試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)準(zhǔn)備兩個(gè)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(yáng)光照射到），其中一個(gè)保溫箱頂蓋上鑲?cè)?根熱管，以有熱管的保溫箱為試驗(yàn)組，沒(méi)有熱管的為對(duì)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(yáng)關(guān)下，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)比油菜的腐爛程度，從而得出結(jié)論。試驗(yàn)觀察結(jié)果如圖7所示。

從圖7中顯示的結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)組油菜的腐爛程度比對(duì)照組的腐爛程度低，也就是說(shuō)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(wú)法用具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量化的顯示。

3 結(jié) 論

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

初步設(shè)計(jì)了微熱管果蔬儲(chǔ)存裝置。通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論：在本試驗(yàn)條件下，熱管最佳工作狀態(tài)時(shí)充液率為20%；熱管數(shù)量越多、長(zhǎng)度越長(zhǎng)，降溫效果越明顯，降溫速度越快；微熱管儲(chǔ)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(guò)多，會(huì)增加儲(chǔ)存裝置的重量，所以需要進(jìn)一步研究微熱管儲(chǔ)存裝置的最佳設(shè)計(jì)條件，并制造出成品得以推廣。

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