微热管储存装置的设计与试验研究

徐晓萍　许艳玲　南有恒　潘鹏飞　崔雯雯　李冰

摘 要：为方便储存果蔬，利用热管结构简单、温差小、成本低、安全可靠等优点设计微热管果蔬保鲜储存装置，对果蔬进行储存保鲜试验研究。结果表明，在本试验条件下，热管最佳工作状态时充液率为20%；热管数量越多，长度越长，降温效果越明显，降温速度越快。微热管储存装置在一定程度上能够达到对蔬菜降温保鲜效果。

关键词：微热管；保温装置；蔬菜储存

中图分类号：S609+.3 文献标识码：A DOI 编码：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

在众多的传热元件中，热管是有效的传热元件之一，它是利用相变原理工作的。可以将大量的热量通过很小的截面远距离的传输而无需辅助动力，已经在工业中广泛应用[1]。热管的工作温区是-273～1 000 ℃[2]，它具有其他传热技术所不具备的许多优点：卓越的传热效率及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制等[3]。Cotter于1984年在日本举行的“第五届国际热管会议”提出了微热管（micro heat pipe，MHP）的概念。人们对MHP进行了大量的理论和试验研究，并取得了一系列的研究成果[4]。基于热管的诸多的优点，在新能源的开发、太阳能的利用、农业大棚的应用[5]、电子装置芯片的冷却、 笔记本电脑 CPU的冷却[6]以及大功率散热器[7]、可控硅元件、电路控制板等的冷却，化工、石油、建材轻工、冶金、动力、陶瓷、制冷空调等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展[1]。所以我们结合热管设计简易的保温储存装置，以期能够达到果蔬的保鲜效果，将其引用到日常生活中来。

1 热管储存装置的设计

保温装置的设计：主要是针对其用途结合热管的诸多特性及工作原理，设计出应用于日常生活中的简易保温设备，达到美观、实用、简捷、便携、体积小，充分的发挥热管的特性。保温装置结构：该装置有内外两层，内层是隔热材料，与外界绝热，外层背面有散热孔，热管的绝热段、冷却段在保温箱夹层中，热管的蒸发段弯曲伸入保温箱内部，纵面切图如图1所示。

保温箱内部的热量通过热管的蒸发段传到冷却段，即热量从保温箱内部传到了保温箱夹层，再从保温箱夹层通过背面的散热孔将热量散发出来，从而完成了热量从内向外的传输过程。固定放置的保温装置的设计装置图如图2所示。

2 热管参数的选择

重力热管包括：热管壳体和工作介质两部分，典型重力热管结构如图3所示。当热管的加热端受热时，管内液体工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段，在冷凝段放出蒸发潜热冷凝结成液体，液体靠重力的作用流回到蒸发段。如此循环不已，就把大量的热量散发出去。

为了便于观察，试验首先以真空玻璃管做壳体，蒸馏水作为工质，考察试验条件下最佳充液率；然后在该充液率下考察管长、管数量的降温效果。最后在试验范围内选择最佳试验条件，利用目前较常用的铜质热管对蔬菜进行保鲜试验。

热管能否正常工作，主要取决于热管内的真空度及热管的密封性。本试验用的XZ型真空泵可使热管内的真空度达到0.5 Mp。以下是水的沸点与压力的对应关系（表1）。

我们制作的热管理论上在33 ℃就可以正常工作。下面就是解决热管的密封性的问题，也是试验的一大难点。经过多次试验，我们选择用4#真空封脂和聚四氟密来封橡胶管和玻璃管的接头处，之前有试过用阀门密封，效果不是很好。橡胶管的密封是用两个皮管夹完成的。抽完真空后，先用一个皮管夹夹住橡皮管，然后立即往橡皮管的另一端加满蒸馏水，再用一个皮管夹夹住橡皮管，用水把热管内的空气与外界隔开，保持真空度。经过测试，这种方法的效果比较好。而铜质热管采用焊接技术进行密封。

2.1 热管充液率的考察

本试验是在其他条件不变的情况下研究充液率与热管的性能的关系。分别在充液率为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%时，通过试验确定热管最佳工作状态下对应的工质充液率。

试验内容是测量热管把温度为40 ℃的水降低到30 ℃的过程中，对温度降低起的作用。由于试验环境和实验仪器的局限性，每次测量时的初始温度会有较小的误差，实验室的温度也会对试验结果带来影响，但不会影响每组数据的可比性。本试验是每2分钟记录一次温度，结果见图4。

试验结果表明，当充液率为20%时，降温效果较其他的效果明显，此时热管的传热性能最好，具有良好的工作效率。充液率为5%和10%时，由于管内工质的量太少，热管内部会发生干涸现象，影响热管的正常工作。充液率为35%和40%时，管内工质的量太多，当热管正常工作时，液体经常冲刷凝结段的一部分表面积，也会导致热管工作效率降低。其他充液率时热管的传热效率也不是很好，可能是由于热管受热时，管内蒸汽太多，不能及时回流，导致管内气压升高，水的沸点也会升高，使热管无法正常工作。

2.2 热管数量的考察

下面试验均采用铜质热管。

试验分两组进行，分别是试验组和对照组。试验组插入抽真空热管和温度计，对照组只插入温度计。10 cm热管分别1，2，4 根，如图5所示。

从图5可以看出，在热管长度相同的条件下，不同数量的热管插入烧杯中，把水温从40 ℃降到30 ℃过程中，4根热管起初降温速度最快，所需时间最短，其次是2根热管，1根热管达到30 ℃所需时间最长。

2.3 热管长度的考察

从图6可以看出，在热管数量相同的条件下，不同长度的热管插入烧杯中，把水温从40 ℃降到30 ℃过程中，20 cm长度的热管比10 cm长度的热管起初降温速度快，所需时间短。

2.4 热管在蔬菜储藏保鲜中的应用效果的试验研究

本试验准备两个完好的泡沫箱，在顶盖上安装两块玻璃（一方面便于观察，另一方面保证蔬菜能够被阳光照射到），其中一个保温箱顶盖上镶入8根热管，以有热管的保温箱为试验组，没有热管的为对照组，分别放入同等重量的新鲜油菜（2 kg），由于油菜容易腐烂，盖上盖子，放在阳关下，同时进行试验，每隔24 h观察一次，观察油菜的腐烂程度，连续观察7 d，对比油菜的腐烂程度，从而得出结论。试验观察结果如图7所示。

从图7中显示的结果来看，试验组油菜的腐烂程度比对照组的腐烂程度低，也就是说热管能在一定程度上保鲜，能够降低蔬菜的腐烂速度，起到蔬菜的保鲜效果。但是这只是感官上的，无法用具体的实验数据量化的显示。

3 结 论

通过对果蔬保鲜装置的设计，以及热管的传热性能试验，主要得出以下结论：

初步设计了微热管果蔬储存装置。通过试验得出结论：在本试验条件下，热管最佳工作状态时充液率为20%；热管数量越多、长度越长，降温效果越明显，降温速度越快；微热管储存装置能在一定程度上保鲜，能够降低蔬菜的腐烂速度，起到蔬菜的保鲜效果。但热管数量如果过多，会增加储存装置的重量，所以需要进一步研究微热管储存装置的最佳设计条件，并制造出成品得以推广。

参考文献：

[1] 蔡卫东.热管技术研究进展及其在制冷空调行业总的应用[J].制冷与空调，2003（3）：31-35.

[2] 张永梅，由宏君.浅析热管换热器性能特点[J].当代化工，2003，32（1）：52-55.

[3] 李西兵，李勇.烧结式微热管吸液芯的成型方法[J].华南理工大学学报：自然科学版，2008，36（10）：114-119.

[4] 朱高涛，刘卫华.微型热管技术的研究现状与发展[J].制冷与空调.2006，6（2）：9-13.

[5] 中军.用于温室大棚的超导热管[J].农家参谋，1999（10）：19.

[6] 厉春元，杨湘洪.一种微型电子元件热管散热器的制作和性能[J].机械研究与应用，2008（8）：89-90.

[7] 鲁祥友，华泽钊，方廷勇，等.照明用大功率LED回路热管散热器的研究[J].低温与超导，2010，38（6）：61-65.