CN104900117B - 超声强化热传递光学观测实验装置与实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声强化热传递光学观测实验装置，在底座上设透明水槽，透明水槽内左侧壁和右侧壁上设前半导体制冷片和后半导体制冷片，前半导体制冷片的冷面与后半导体制冷片的热面相对，前半导体制冷片和后半导体制冷片下端设非金属底板，前半导体制冷片、后半导体制冷片、透明水槽的左侧壁、右侧壁与非金属底板构成实验水槽，透明水槽和实验水槽内装满水，实验水槽上端设盖板，非金属底板上设超声换能器，透明水槽右侧底座上设光屏、左侧底座上设安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射的发散角为10°～20°的激光束透过实验水槽投射到光屏上，光屏上呈现出水热传递过程的动态图景。实验方法直观性好、灵敏度高，可作为演示或实验仪器。
Description
技术领域
本发明属于实验仪器技术领域，具体涉及到热传递光学实验装置。
背景技术
热传递的基本方式是传导、对流和辐射。热量在水中的传递方式，显然以传导和对流为主。液体介质的热传导特性主要取决于其本身的物理性质，难以改变，而对流传递则通过外力作用可以强化，搅拌就是最常用的手段。传统的机械搅拌器效率有限，由于机械搅拌器的作用仅仅限于“宏观”尺度上冷流与热流之间的热交换，而无法达到微观甚至分子层次的能量交换，同时由于转动机构的引入，使得系统结构复杂化，故障率增加，况且许多转动机构中并不适合采用机械搅拌。
超声波在液体介质中传输时的空化现象所产生机械效应、热效应、声光效应和活化效应，超声波在化学化工、能源医药、污水净化等生产或处理过程中的强化作用，已成为传质学研究的重要方向之一。其中的超声波强化传热技术，也已受到相关领域技术人员的关注，并成为节能技术研究的热点课题。超声空化效应能从微观甚至分子尺度上对液体热传递产生强化作用，因此受到了研究人员的极大关注，并已取得了进展。但目前对于超声强化热传递效能的研究，基本采用设置在液体中不同位置的温度传感器，测量超声作用过程中对热传递的强化作用，显然无法实时、动态观察超声作用下液体内部微观层次的热传递过程。从超声波强化热传递机理研究的角度考虑，如何使学生实时直观地看到不同超声场对热传递的强化作用和热传过程，对学生科学思维能力的培养，具有非常重要的作用。但目前没有见到这方面的实验仪器。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的超声强化热传递光学观测实验装置。
本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上放置有透明水槽，透明水槽内左侧壁和右侧壁上设置有与左侧壁和右侧壁垂直的前半导体制冷片和后半导体制冷片，前半导体制冷片的冷面与后半导体制冷片的热面相对，前半导体制冷片和后半导体制冷片下端设置有非金属底板，前半导体制冷片、后半导体制冷片、透明水槽的左侧壁、右侧壁与非金属底板构成实验水槽，透明水槽和实验水槽内装满水，实验水槽上端设置有盖板，非金属底板上设置有辐射端向上的超声换能器，在透明水槽右侧底座上设置有光屏、左侧底座上设置安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射的发散角为10°～20°的激光束透过实验水槽投射到光屏上，在光屏上呈现出实验水槽内前半导体制冷片与后半导体制冷片之间水热传递过程的动态图景，通过观察实验水槽内水在光屏上对应的投射光斑均匀性的动态变化，实现水的自然传热和超声强化传热过程的光学观测。
本发明的透明水槽的几何形状为长方体，前半导体制冷片和后半导体制冷片为几何形状相同的长方体，前半导体制冷片和后半导体制冷片上端与透明水槽的左侧壁、右侧壁上端平齐，前半导体制冷片与后半导体制冷片以透明水槽垂直中心面相对称、并与透明水槽的前侧壁相平行，前半导体制冷片、后半导体制冷片之间的距离与前半导体制冷片的宽度相同。
本发明的半导体激光器出射的发散角为10°～20°激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽投射到光屏上。
本发明的半导体激光器出射的发散角最佳为15°激光束，透过实验水槽投射到光屏上。
本发明的盖板是上表面为平面或锯齿结构、下表面为锯齿结构或平面。
本发明的锯齿的齿形是齿尖角θ为45°～150°、齿高为3～5mm的等腰三角。
使用上述超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法由下述步骤组成：
(1)观察水自然传热过程
在透明水槽和实验水槽内注满水，接通半导体制冷片、半导体激光器的电源，调整半导体激光器出射激光束的发散角为10°～20°，激光束中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片和后半导体制冷片位于发散激光束的光场中，在光屏上投射的光斑中能看到半导体制冷片的投影,观察实验水槽内水域对应光斑的均匀性。
(2)观察超声驻波场或超声混响场作用下的水传热过程
观察超声驻波场作用下的水传热过程：在实验水槽上端盖上盖板，盖板的平面向下，并与水接触，接通超声换能器电源，超声波的频率为40KHZ、功率密度为0.5W/cm2，在水中形成超声驻波场，1分钟后观察实验水槽内的水域在光屏对应投射光斑均匀性的变化情况。
观察超声混响场作用下水传热过程：在实验水槽上端盖上盖板，盖板的锯齿槽面向下，并与水接触，接通超声换能器电源，超声波的频率为40KHZ、功率密度为0.5W/cm2，在水中形成超声混响场。1分钟后观察实验水槽内的水域在光斑中对应投射区域光斑的均匀性。
在本发明的观察水自然传热过程步骤(1)中，在透明水槽和实验水槽内注满水，接通半导体制冷片、半导体激光器的电源，调整半导体激光器出射激光束的发散角最佳为15°，激光束中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片和后半导体制冷片位于发散激光束的光场中，在光屏上投射的光斑中能看到半导体制冷片的投影。
本发明采用水槽内不同区域冷水、热水的折射率差异和冷水、热水之间温度梯度变化区域，对透过的激光束产生折射、会聚或发散作用，在光屏上投射形成光斑均匀性的变化，实时显示出水体中温度的非均匀分布及动态变化过程，实现冷水的自然传热和超声强化水体传热过程的动态观测。
本发明采用发散激光束透过实验水槽处于热传递过程的冷、热水和冷、热之间温度梯度变化区域，在光屏上投射形成的光斑，数十倍的放大了水槽内水热传递过程的动态图景，使水的热传递过程可直接目测，同时，通过增大光屏与透明水槽2之间的距离，改变圆形光斑的大小，更适合于课堂演示实验。本发明装置具有结构简单、产品成本低、实验方法直观性好、观测灵敏度高等优点，可作为中学物理、大学热力学、工程物理等课程的教学演示或实验仪器。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是的图1的俯视图。
图3是图1的A-A剖视图。
图4是图1中盖板3的结构示意图。
图5是水自然传热过程中光斑照片。
图6是超声混响场作用下水传热过程中光斑照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2、3中，本实施例的超声强化热传递光学观测实验装置由半导体激光器1、透明水槽2、盖板3、光屏4、底座5、超声换能器6、非金属底板7、激光器支架8、前半导体制冷片9、后半导体制冷片10联接构成。
在底座5上放置有透明水槽2，透明水槽2采用石英玻璃制成，透明水槽2的几何形状为长方体，在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的前半导体制冷片9和后半导体制冷片10，前半导体制冷片9和后半导体制冷片10为几何形状相同的长方体，前半导体制冷片9的冷面与后半导体制冷片10的热面相对，即前半导体制冷片9与后半导体制冷片10的前表面都为热面或者都为冷面，本实施例前半导体制冷片9的后侧面为冷面，前半导体制冷片9和后半导体制冷片10上端与透明水槽2的左侧壁、右侧壁上端平齐，前半导体制冷片9与后半导体制冷片10的以透明水槽2垂直中心面相对称，并与透明水槽2的前侧壁相平行，前半导体制冷片9、后半导体制冷片10之间的距离与前半导体制冷片9的宽度相同。在前半导体制冷片9和后半导体制冷片10的下端用胶密封粘接有一块非金属底板7，非金属底板7采用胶木板，前半导体制冷片9、后半导体制冷片10、透明水槽2的左侧壁、右侧壁与非金属底板7构成实验水槽，实验水槽位于透明水槽2内上中部位置，透明水槽2和实验水槽内装满水。在非金属底板7的中心位置加工有中心孔，非金属底板7上用螺纹紧固联接件固定联接密封安装有超声换能器6，超声换能器6的辐射端向上穿过非金属底板7的中心孔与非金属底板7的上表面平齐，超声换能器6下半部浸在透明水槽2内的水中，超声换能器6用于产生向实验水槽内辐射的超声波，实验水槽上端盖有盖板3。
在透明水槽2右侧底座5上安装有光屏4，光屏4用于呈现水热传递过程的动态图景。在透明水槽2左侧底座5上放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1，半导体激光器1可在半导体激光器1支架上转动，半导体激光器1用于产生激光，半导体激光器1出射发散角为15°的激光束，激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片9和后半导体制冷片10位于发散激光束的光场中，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏4上，在光屏4上呈现出实验水槽内前半导体制冷片9与后半导体制冷片10之间水热传递过程的动态图景，通过观察实验水槽内水在光屏4上对应的投射光斑均匀性的动态变化，实现水的自然传热和超声强化传热过程的光学观测。
图4给出了本实施例盖板3的结构示意图。在图4中，本实施例的盖板3是上表面为平面、下表面上有锯齿槽，也可以将盖板3反盖，即下表面为平面，上表面上有锯齿槽，锯齿的齿形为等腰三角形，锯齿的齿尖角θ为100°，齿高为4mm，这种结构的盖板3使得超声换能器6产生的超声波在实验水槽内水中形成超声混响场或超声驻波场。接通半导体制冷片的电源，实验水槽内前半导体制冷片9冷面附近的水温逐渐下降,后半导体制冷片10热面附近水温逐渐上升，前半导体制冷片9与后半导体制冷片10的冷面、热面之间通过实验水槽内水的传导、对流实现热传递。
使用本实施例超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法如下：
1、观察水自然传热过程
在透明水槽2和实验水槽内注满水，接通半导体制冷片、半导体激光器1的电源，调整半导体激光器1出射发散角为15°的激光束，激光束中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的两块半导体制冷片位于发散激光束的光场中，在光屏4上投射的光斑中能看到前半导体制冷片9、后半导体制冷片10的投影，观察实验水槽内水域对应光斑的均匀性如图5所示。由图5可见，实验水槽内前半导体制冷片9的冷面附近对应投射区域(图5中的右半部)的亮度明显增强，后半导体制冷片10的热面附近对应投射区域(图5中的左半部)的亮度明显减弱，说明实验水槽中的水温分布始终不均匀，即水的自然传热速度慢、效果差。
2、观察超声驻波场或超声混响场作用下的水传热过程
观察超声驻波场作用下的水传热过程：在实验水槽上端盖上盖板3，盖板3的平面向下，并与水接触，接通超声换能器6电源，超声波的频率为40KHZ、功率密度为0.5W/cm2，在水中形成超声驻波场，1分钟后观察实验水槽内的水域在光屏4对应投射光斑均匀性的变化情况。
观察超声混响场作用下水传热过程：在实验水槽上端盖上盖板3，盖板3的锯齿槽面向下，并与水接触，接通超声换能器6电源，超声波的频率为40KHZ、功率密度为0.5W/cm2，在水中形成超声混响场。1分钟后观察实验水槽内的水域在光斑中对应投射区域光斑的均匀性，如图6所示。由图6可见，光斑的均匀性明显改善，说明超声混响场对水热传递效能改善作用显著。
实施例2
本实施例中，在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的前半导体制冷片9和后半导体制冷片10，前半导体制冷片9和后半导体制冷片10几何形状、结构以及与透明水槽2的联接关系与实施例1相同，前半导体制冷片9、后半导体制冷片10、透明水槽2的左侧壁、透明水槽2的右侧壁与非金属底板7构成位于透明水槽2内上中部位置的实验水槽，透明水槽2和实验水槽内装满水。
在透明水槽2左侧底座5上放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1，半导体激光器1出射发散角为10°的激光束，激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片9和后半导体制冷片10都位于发散激光束的光场中，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏4上，在光屏4上呈现出实验水槽内前半导体制冷片9与后半导体制冷片10之间水热传递过程的动态图景，通过观察实验水槽内水在光屏4上对应的投射光斑均匀性的动态变化，实现水的自然传热和超声强化传热过程的光学观测。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用本实施例超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法如下：
1、观察水自然传热过程
在透明水槽2和实验水槽内注满水，接通前半导体制冷片9、后半导体制冷片10、半导体激光器1的电源，调整半导体激光器1出射激光束的发散角为10°，激光束中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片9、后半导体制冷片10位于发散激光束的光场中，在光屏4上投射的光斑中能看到前半导体制冷片9、后半导体制冷片10的投影，观察实验水槽内水域对应光斑的均匀性。
步骤2与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的前半导体制冷片9和后半导体制冷片10，前半导体制冷片9和后半导体制冷片10几何形状、结构以及与透明水槽2的联接关系与实施例1相同，前半导体制冷片9、后半导体制冷片10、透明水槽2的左侧壁、透明水槽2的右侧壁与非金属底板7构成位于透明水槽2内上中部位置的实验水槽，透明水槽2和实验水槽内装满水。
在透明水槽2左侧底座5上放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1，半导体激光器1出射发散角为20°的激光束，激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片9、后半导体制冷片10都位于发散激光束的光场中，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏4上，在光屏4上呈现出实验水槽内前半导体制冷片9与后半导体制冷片10之间水热传递过程的动态图景，通过观察实验水槽内水在光屏4上对应的投射光斑均匀性的动态变化，实现水的自然传热和超声强化传热过程的光学观测。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用本实施例超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法如下：
1、观察水自然传热过程
在透明水槽2和实验水槽内注满水，接通前半导体制冷片9、后半导体制冷片10、半导体激光器1的电源，调整半导体激光器1出射激光束的发散角为20°，激光束中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片9、后半导体制冷片10位于发散激光束的光场中，在光屏4上投射的光斑中能看到半导体制冷片的投影，观察实验水槽内水域对应光斑的均匀性。
步骤2与实施例1相同。
实施例4
在以上的实施例1～3中，在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的前半导体制冷片9和后半导体制冷片10，前半导体制冷片9和后半导体制冷片10几何形状、结构以及与透明水槽2的联接关系与实施例1相同，前半导体制冷片9、后半导体制冷片10、透明水槽2的左侧壁、透明水槽2的右侧壁与非金属底板7构成位于透明水槽2内上中部位置的实验水槽，透明水槽2和实验水槽内装满水，在实验水槽上端盖有盖板3。盖板3的锯齿的齿形为等腰三角形，锯齿的齿尖角θ为45°，齿高为3mm。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用本实施例超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法与相应的实施例相同。
实施例5
在以上的实施例1～3中，在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的前半导体制冷片9和后半导体制冷片10，前半导体制冷片9和后半导体制冷片10几何形状、结构以及与透明水槽2的联接关系与实施例1相同，前半导体制冷片9、后半导体制冷片10、透明水槽2的左侧壁、透明水槽2的右侧壁与非金属底板7构成位于透明水槽2内上中部位置的实验水槽，透明水槽2和实验水槽内装满水，在实验水槽上端盖有盖板3。盖板3的锯齿齿形为等腰三角形，锯齿的齿尖角θ为150°，齿高为5mm。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用本实施例超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法与相应的实施例相同。
本发明的工作原理如下：
本发明基于光线在均匀介质中直线传输，在非均匀介质中向折射率大的区域偏折的原理，实现超声强化热传递效能的光学观测。实验水槽内的前半导体制冷片9、后半导体制冷片10接通电源，冷面不断吸热，热面不断放热，冷面吸收附近水中的热量，使其温度下降，热面放出的热量开始被附近的水吸收，水温升高，冷热水之间受温度差驱动，缓慢进行热交换。本发明将发散激光束透过实验水槽内处于热传递过程即温度分布不均匀的水体时，透过实验水槽不同位置的光线都向水温低处(折射率大的区域)偏折，使得光屏4上投射光斑的均匀性同步变化，亮度增强处对应水中温度较低的区域，亮度减弱处对应水中温度较高的区域，实现了水传热过程的光学观测。
超声波空化现象产生的机械效应，作用于温度非均匀的水体时，产生了剧烈的搅拌作用，加速了冷水与热水之间的热交换，促进了水的传热效能。发散激光束透过超声作用下处于快速热交换过程中的水域时，光屏4上投射光斑的均匀性也同步变化，实验水槽中部对应的光斑中部亮度很快达到一致，通过观察光斑均匀性的动态变化，实现了超声强化水热传递的实时动态光学观测。
Claims (8)
1.一种超声强化热传递光学观测实验装置，其特征在于：在底座(5)上放置有透明水槽(2)，透明水槽(2)内左侧壁和右侧壁上设置有与左侧壁和右侧壁垂直的前半导体制冷片(9)和后半导体制冷片(10)，前半导体制冷片(9)的冷面与后半导体制冷片(10)的热面相对，前半导体制冷片(9)和后半导体制冷片(10)下端设置有非金属底板(7)，前半导体制冷片(9)、后半导体制冷片(10)、透明水槽(2)的左侧壁、右侧壁与非金属底板(7)构成实验水槽，透明水槽(2)和实验水槽内装满水，实验水槽上端设置有盖板(3)，非金属底板(7)上设置有辐射端向上的超声换能器(6)，在透明水槽(2)右侧底座(5)上设置有光屏(4)、左侧底座(5)上设置安装有半导体激光器(1)的激光器支架(8)，半导体激光器(1)出射的发散角为10°～20°的激光束透过实验水槽投射到光屏(4)上，在光屏(4)上呈现出实验水槽内前半导体制冷片(9)与后半导体制冷片(10)之间水热传递过程的动态图景，通过观察实验水槽内水在光屏(4)上对应的投射光斑均匀性的动态变化，实现水的自然传热和超声强化传热过程的光学观测。
2.根据权利要求1所述的超声强化热传递光学观测实验装置，其特征在于：所述的透明水槽(2)的几何形状为长方体，前半导体制冷片(9)和后半导体制冷片(10)为几何形状相同的长方体，前半导体制冷片(9)和后半导体制冷片(10)上端与透明水槽(2)的左侧壁、右侧壁上端平齐，前半导体制冷片(9)与后半导体制冷片(10)以透明水槽(2)垂直中心面相对称、并与透明水槽(2)的前侧壁相平行，前半导体制冷片(9)、后半导体制冷片(10)之间的距离与前半导体制冷片(9)的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的超声强化热传递光学观测实验装置，其特征在于：所述的半导体激光器(1)出射的发散角为10°～20°激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽投射到光屏(4)上。
4.根据权利要求1或3所述的超声强化热传递光学观测实验装置，其特征在于：所述的半导体激光器(1)出射的发散角为15°激光束，透过实验水槽投射到光屏(4)上。
5.根据权利要求1所述的超声强化热传递光学观测实验装置，其特征在于：所述的盖板(3)是上表面为平面或锯齿结构、下表面为锯齿结构或平面。
6.根据权利要求5所述的超声强化热传递光学观测实验装置，其特征在于：所述的锯齿的齿形是齿尖角θ为45°～150°、齿高为3～5mm的等腰三角。
7.一种使用权利要求1所述的超声强化热传递光学观测实验装置的实验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：
1)观察水自然传热过程
在透明水槽(2)和实验水槽内注满水，接通半导体制冷片、半导体激光器(1)的电源，调整半导体激光器(1)出射激光束的发散角为10°～20°，激光束中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片(9)和后半导体制冷片(10)位于发散激光束的光场中，在光屏(4)上投射的光斑中能看到半导体制冷片的投影，观察实验水槽内水域对应光斑的均匀性；
2)观察超声驻波场或超声混响场作用下的水传热过程
观察超声驻波场作用下的水传热过程：在实验水槽上端盖上盖板(3)，盖板(3)的平面向下，并与水接触，接通超声换能器(6)电源，超声波的频率为40KHZ、功率密度为0.5W/cm2，在水中形成超声驻波场，1分钟后观察实验水槽内的水域在光屏(4)对应投射光斑均匀性的变化情况；
观察超声混响场作用下水传热过程：在实验水槽上端盖上盖板(3)，盖板(3)的锯齿槽面向下，并与水接触，接通超声换能器(6)电源，超声波的频率为40KHZ、功率密度为0.5W/cm2，在水中形成超声混响场，1分钟后观察实验水槽内的水域在光斑中对应投射区域光斑的均匀性。
8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于：在观察水自然传热过程步骤1)中，在透明水槽(2)和实验水槽内注满水，接通半导体制冷片、半导体激光器(1)的电源，调整半导体激光器(1)出射激光束的发散角为15°，激光束中心线与实验水槽水平中心线重合，使实验水槽的前半导体制冷片(9)和后半导体制冷片(10)位于发散激光束的光场中，在光屏(4)上投射的光斑中能看到半导体制冷片的投影。
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