關于封閉空間降溫風扇的設計研究

陳子禾

摘要：酷熱夏季，空調的頻繁使用使許多人一不小心得了空調病，同時空調的使用也進一步惡化著地球氣溫和環(huán)境，風扇的使用越來越成為環(huán)保和健康消暑降溫的首選。本文通過對封閉空間降溫風扇設計的研究，認為通過對葉子風扇的改造，設計成封閉式工作空間，增加節(jié)流和安全系數(shù)，并通過鼓風口增壓，提供強勁出風動力，起到降溫的良好效果。

關鍵詞：風扇；降溫；封閉空間；節(jié)流；增壓

如今的夏季似乎越來越熱，室外太陽底下熱浪滾滾，連風兒都是熱的，人們通常喜歡躲在封閉的空調房內不愿意外出，然而長時間呆在空調間里，會使人感覺非常不舒服，有些人群直接就被得空調病了，更多的人群喜歡自然清涼的風來驅散人體的熱量，因此更多的降溫電扇成為健康生活的新寵。本文就是關于封閉空間降溫風扇的一種設計研究初探，希望通過科技可以改善生活，提高生活品質，給降溫電扇的發(fā)展提供一種新的思維和設計途徑，有不當之處請專家及讀者多多原諒。

1.目前電扇設計的基本情況

1.1普通電扇

普通電扇的基本工作原理就是通過特定順序繞制的線包作為電機定子，然后通電產(chǎn)生一個旋轉的磁場來帶動轉子轉動，最后通過電動機的轉子帶動風葉旋轉來推動空氣流通。配置三個基本功能：調速、搖頭以及定時。

家用電扇：常見的有臺扇、落地扇、吊扇等，家用的電扇相對電機功率較小，葉子較小，葉子數(shù)量3片居多，給風緩和，風感體驗柔和輕緩。

工業(yè)電扇：排風機、鼓風機、大吊扇等，相對家用的電扇而言，電機功率大，葉子較大，葉子數(shù)量4-5片，噪音較大，風感體驗強勁有力。

1.2新型電扇

普通電扇設計已經(jīng)非常成熟，也很人性化，但由于此類設計科技含量相對當今科技發(fā)展進步而言略顯低級，且逐漸落后于當今人們對生活品質的需求體驗，因此市場上逐漸出現(xiàn)了一些符合時尚個性化的體驗更好的新型電扇。

無葉風扇：又稱空氣增倍機，它的特點是外部沒有葉片，除塵方便，安全系數(shù)大大提高，可以避免傷到好奇兒童的手指，節(jié)能。無葉風扇的風最開始是由基座中的渦輪風扇，抽取底座旁的空氣，通過圓環(huán)中間的1毫米寬的細微風槽以55英里的時速吹出來，夾帶著周邊的空氣一起向前，并通過出風負壓原理將后方更多的空氣加入以平衡氣壓，增大風量，可以達到渦輪風扇本身抽取量的15倍。雖然無葉風扇能產(chǎn)生自然持續(xù)的風，還可以自由調整俯仰角、遙控控制、液晶顯示室內溫度及日期時間，在設計上更容易操作，更具人性化。但由于該類電扇的出風特性造成，讓人實際感受到的真正的風量風速并不是那么大，它的節(jié)能完全是因為給風原理所限制造成的，是由犧牲風量風速換來的。網(wǎng)上也有許多購買無風風扇的消費者評論，說風吹起來像是空調風一樣，過于綿柔無法驅除熱量，且又沒有空調風的溫度，起不到瞬間降溫的作用。

噴霧風扇：是一種目前最流行的戶外制冷系統(tǒng)或開放開闊式室內用制冷系統(tǒng)。目前市場上主要有兩種噴霧風扇，一種是離心式噴霧風扇，另一種是高壓噴嘴式噴霧風扇。離心式噴霧風扇，是利用離心力將在旋轉碟和霧粒噴散裝置作用下的超微小的水霧，通過強力風扇吹出的氣流向四周空間擴散水霧，并通過水蒸發(fā)降溫原理來降低周圍溫度。高壓噴嘴式噴霧風扇則是利用高壓噴嘴產(chǎn)生微霧，霧滴直徑小于10微米，蒸發(fā)表面積大大提高，微霧通過強力風扇吹出的氣流，極大的提高了液體表面風速，加快了氣體分子的擴散，從而達到吸收熱量，降低溫度的作用。它們共同的優(yōu)勢是提高空氣相對濕度，減少粉塵，凈化空氣，降溫效果明顯。但不適合需要干燥環(huán)境的封閉式的室內空間中使用。

2.封閉空間降溫風扇的基本構成

本文研究的封閉空間降溫風扇由動力模塊、節(jié)流模塊和增壓模塊三大模塊構成。

2.1動力模塊：動力模塊由電動機和葉扇組成，電動機通220v 50Hz交流電帶動葉扇轉動，葉扇轉動使葉扇前后產(chǎn)生壓力差，于是產(chǎn)生風力，風力再次在節(jié)流罩前后產(chǎn)生壓力差，這壓力差就是降溫動力。

2.2節(jié)流模塊：主要部件是節(jié)流罩，罩于風扇外面，其形狀由漏斗型的的多個出風口構成，進風口口徑大，出風口口徑小，空氣進入節(jié)流罩時壓力變大，排出壓力罩后壓力變小，通過壓力差以達到降溫目的，節(jié)流罩的五個出風口可以通過旋轉改變其大小口徑，來調節(jié)風量和降溫的溫度，

2.3增壓模塊：葉扇外圍至鼓風方向延伸20cm處設施擋板，其作用是防止風扇鼓出的空氣因壓力變大而散逸，使風扇效果更為顯著，風扇。

如圖所示，該風扇外觀獨特具有視覺沖擊力，結構巧妙牢靠，幾大模塊分工明確，便于拆洗，易于更換維護，故障率低，制造成本也并不高于普通風扇。

3.封閉空間降溫風扇的工作原理

封閉空間降溫風扇的葉扇通過電動機的轉動將空氣鼓入節(jié)流罩，由于節(jié)流罩進風口大出風口小，且鼓進與鼓出的空氣所需量相等，所以鼓出空氣的流速將比鼓入空氣的流速大，所以會由大量空氣鼓入節(jié)流罩而生成的相對于罩子外更高的氣壓來提供更大的流速，這個過程就是節(jié)流過程。氣體通過節(jié)流罩之后氣壓減小，形成一個壓力差，這就是節(jié)流效應產(chǎn)生效果的條件。由熱力學第一定律可知，對于封閉系統(tǒng)（類似于上文所述的密閉房間），熱力學第一定律可表達為Q=ΔU +W。因為過程中流體與外界無熱量交換，亦無凈功量的交換，如果保持流體在節(jié)流后的高度和流速不變，即無重力位能和宏觀動能的變化（或變化小到可以忽略不計），則節(jié)流后流體的焓h2與節(jié)流前的焓h1相等，即h2 = h1。同時，因絕熱節(jié)流是不可逆的絕熱過程，節(jié)流后流體的熵必然增大，有s2 > s1。根據(jù)能量守恒定律，節(jié)流前后的流體內部焓應保持不變，焓的三部分能量：動能、位能、流動能，在節(jié)流后是有變化的。當節(jié)流由于壓力降低，氣體體積膨脹，分子間距離增大，則使分子相互作用的位能增加。由于空分中的物料（空氣，氧氣，氮氣）都是可以壓縮膨脹的，流動能的變化相對較大，因此，位能的增加會造成動能的減少，而分子運動動能的大小表現(xiàn)為物體溫度的高低。節(jié)流后動能減少，一般情況下，氣體溫度總是降低，所以吹出來的空氣相對于環(huán)境溫度是足足下降好幾攝氏度的。這種效應也稱為節(jié)流冷效應。而且節(jié)流前后氣壓差越大，節(jié)流的制冷量就越大。舉一個例子，將舌尖微微抵住牙齒留出小小的一條縫隙吹出來的風就很涼爽，縫隙變大，風的降溫效果就不那么明顯了。小縫隙所形成的壓強差大，大縫隙所形成的壓強差小，這就是為什么會有這種現(xiàn)象的原因。由這個條件通過調節(jié)風扇的風力大小和節(jié)流罩出風口大小可以分別調節(jié)出風溫度和出風量的大小使人感到舒適，達到類似空調的效果，這就彌補電風扇不可調節(jié)溫度的缺點?？偠灾窘禍仫L扇綜合有空調的吹出空氣低溫的優(yōu)點和電風扇風力其中強盛的優(yōu)點，起到巨大的降溫效果。有人要問，風的降溫是由什么換得的，它的優(yōu)點肯定是由某一樣特性轉換而來的，其實它的低溫是由對于普通風扇輻散的風換得的，節(jié)流罩將風集中，制造壓力差換得風的低溫，將普通風扇的劣勢轉換成優(yōu)勢，讓能量的效率更高。

4.封閉空間降溫風扇的設計優(yōu)勢

4.1安全性高

封閉空間降溫風扇的工作環(huán)境是一個獨立的半封閉空間，既有普通風扇的大風力又有安全的封閉式保護罩，無級變速自由調控，外物不能輕易進入。

4.2降溫

封閉空間降溫風扇的內部采用渦旋風葉，給風力度設計扭力可以同等普通風扇，通過節(jié)流罩集中風量增壓，出風流速增大，降溫性能好。

4.3舒適性爽

空調的使用使許多人會感到不適，往往容易得空調病，而普通電扇的使用又覺得風力不夠大，扇出的風熱乎乎的，室內溫度是多少，給出的風溫也是多少，沒有降溫的感覺。而使用本封閉空間降溫風扇，就會有一種舒適性爽的感覺，給出的風溫會遠遠低于室溫，且給風流動性強勁。

4.4節(jié)能適用

先不說那可怕的電費和對環(huán)境造成的污染，光是它的購買費用和安裝成本就讓人大吃一驚，本封閉空間風扇只對使用者單體降溫，所造成的無謂的浪費少，而且見效快，相比于空調十分鐘后才出效果降溫風扇的打開開關不足一秒的涼風鼓出，實在是太過于迅速了。空調的維護消耗也十分巨大，常常要消耗巨大的人力物力去清洗維修?？照{也不易于搬遷移動，對于廚房這種高溫的地方對整個空間降溫于事無補，沒有人會在廚房安裝空調，這時候降溫風扇的優(yōu)勢又體現(xiàn)出來了，它可以輕松帶進廚房，而且直接將涼爽風送至使用者體表而不是想盡辦法將灶臺熱氣溫度降低做無用功。

本封閉空間降溫風扇適用性強，適合家庭、工廠企業(yè)、商場超市、學校醫(yī)院，在室內室外都可以應用，設計的產(chǎn)品可大可小，適合老人亦適合小孩的使用。

5.適用人群

酷愛低溫者，對于喜愛皮膚接觸涼爽空氣的人，電風扇功率再大也滿足不了他們的要求，電風扇給使用者營造的最涼爽的體感溫度也只不過是房間內的最低溫度。新型風扇則是真正意義上的降低空氣溫度。

其次無葉風扇目前市場價格高昂，其最大的優(yōu)勢就是防止小孩的手指被旋轉的葉片傷到，然而在節(jié)流罩的保護下本新型降溫風扇也可以做到這一點。無葉風扇所說的安靜也是在風力較小的情況下而言的，當風扇檔位調大風扇的噪音就出現(xiàn)了。無葉風扇所謂的無級調速，實在是雞肋不堪，本封閉空間降溫風扇安裝無極變速才能真正發(fā)揮其變速最大功能。