超声强化热传递光学观测实验装置与实验方法制造方法及图纸

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。

【技术实现步骤摘要】
超声强化热传递光学观测实验装置与实验方法
本专利技术属于实验仪器
，具体涉及到热传递光学实验装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。在本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术装置具有结构简单、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是本专利技术实施例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专利技术进一步详细说明，但本专利技术不限于这些实施例。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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°...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宗权，黄育红，任俊鹏，徐铭，耿玉，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61