[发明专利]一种高真空绝热的可视化热声核元件及热声系统

说明书

本发明公开了一种高真空绝热的可视化热声核元件，所述热声核元件(4)为气体工质在内部流通的长方体；在内部从左至右设置热端换热器(10)、平行型板叠(6)和冷端换热器(9)；所述热端换热器(10)、平行型板叠(6)和冷端换热器(9)的平板之间为气道空间(7)，示踪粒子(5)充满气道空间(7)中；所述热声核元件(4)的上端盖为透明视窗口，窗口内安装硫化锌晶体(18)，所述热声核元件(4)的下端盖为透明视窗口，窗口内安装石英玻璃(17)；所述热声核元件(4)的外部设置绝热罩(27)，所述绝热罩(27)的上端盖为透明视窗口，窗口内安装硫化锌晶体(18)，所述绝热罩(27)的下端盖为透明视窗口，窗口内安装石英玻璃(17)。

技术领域

本发明主要涉及热声热机、热力学、流体力学和声学领域，特别涉及一种高真空绝热的可视化热声核元件及热声系统。

背景技术

热声热机是一种新型高效热机，它利用物理中的热声现象，使工作气体在板叠(回热器)的微结构通道内完成介观层面上的热力学微循环，直接实现热能到声能的相互转换。板叠(回热器)是热声热机中实现热能(声能)到声能(热能)转化的核心元件，是热声过程中的热力学第二介质。该元件在驻波型热声热机中称为板叠，在行波型热声热机中称为回热器，两者结构相同，只是填料间距不同，对板叠，其间距比回热器要大，气流在其中实现的是不可逆热量交换，而在回热器中，气流和回热器边壁进行的是等温可逆过程。板叠(回热器)目前常用结构主要有平行板叠型、圆孔型、丝网型、针束型等。其中平行板叠型因结构简单、热功转化效率高，使用最为普遍。丝网型由许多片丝网叠加在一起制作而成，其热功转化效率高，但是丝网通道不规则，阻力大，会造成不必要的热能损失，很难进行准确的定量计算。针束型是由很多钢针平行地排列，每三根钢针中心呈正三角形。数值计算和实验结果表明针束型的热功效率比平行板叠型的高，但这种结构制作工艺复杂，没有得到很好的应用。

热声核由冷、热端换热器和板叠(回热器)组成。基于板叠(回热器)在热声热机中的重要性，随之发展出对热声核微通道内部的流场和温度场测量。首先，来自于纯声学领域的测量方法着眼于对热声核声学参量的测量，主要是把它考虑成具有巨大表面积和较大热容的多孔介质，利用驻波管法、双传感器法等测量其反射系数、吸声系数、表面声阻抗等声学参数。同时，通过研究不同终端的驻波模态，或通过测量热声核材料末端为高阻抗或低阻抗时的输入阻抗来确定其传播常数和特征阻抗。鉴于在热声热机中，板叠(回热器)是实现热声过程的热力学第二介质，它依靠冷、热端换热器的作用建立起可观的温度梯度，并依据热声核位于不同的声场可实现不同的热力循环来达到不同的目的，上述纯声学测量的方法并不适合热声核的热声转化本质的研究。其次，依据目前较为普遍的热声热机测量条件，热声核内多采用热电偶测量热声核内沿波传播方向的温度，此温度测量仅能实现热声核内沿波传播方向的单点温度测量，不能准确描述热声核内温度场的瞬态变化，而广泛应用于电力，医疗，消防，冶金，化工等领域的红外热像仪可以应用于热声领域，测量热声核内的温度场分布。由于热声核的内部工作气体的流道在亚毫米之下，因此，难以布置测压、测流速等测量器件，导致热声核内测压、测流速手段的缺乏。基于这一研究现状，参考文献1(专利号：ZL200910235679.1，一种热声过程测量系统及其测试方法)将红外热像仪和粒子成像测速仪相结合，提出一种热声过程测量系统及其测试方法，对热声核微通道内的热声流场和温度场进行测量与可视化热声场研究。

参考文献1的热声核有以下不足之处，第一，该热声核仅包括板叠(或回热器)部分，只能对板叠(或回热器)内的热声流场和温度场进行可视化观察，而忽略了热端换热器内以及热端换热器和板叠(或回热器)之间的气体工质扰动而引起的热声流场和温度场；第二，该热声核缺乏有效的隔热结构设计，在实际的加热实验中，会造成较大的漏热，不利于真实体现热声过程中温度场和声场的相互耦合作用。

发明内容

本发明的目的在于克服目前热声核存在的漏热问题，提供了一种具备高真空绝热的可视化热声核元件及其可应用于热声学介观测试的真实热声系统。该可视化热声核元件的热端换热器和冷端换热器为平行型板叠建立温差，可视化外真空绝热罩抽取真空，可以有效降低辐射换热。