关于封闭空间降温风扇的设计研究

陈子禾

摘要：酷热夏季，空调的频繁使用使许多人一不小心得了空调病，同时空调的使用也进一步恶化着地球气温和环境，风扇的使用越来越成为环保和健康消暑降温的首选。本文通过对封闭空间降温风扇设计的研究，认为通过对叶子风扇的改造，设计成封闭式工作空间，增加节流和安全系数，并通过鼓风口增压，提供强劲出风动力，起到降温的良好效果。

关键词：风扇；降温；封闭空间；节流；增压

如今的夏季似乎越来越热，室外太阳底下热浪滚滚，连风儿都是热的，人们通常喜欢躲在封闭的空调房内不愿意外出，然而长时间呆在空调间里，会使人感觉非常不舒服，有些人群直接就被得空调病了，更多的人群喜欢自然清凉的风来驱散人体的热量，因此更多的降温电扇成为健康生活的新宠。本文就是关于封闭空间降温风扇的一种设计研究初探，希望通过科技可以改善生活，提高生活品质，给降温电扇的发展提供一种新的思维和设计途径，有不当之处请专家及读者多多原谅。

1.目前电扇设计的基本情况

1.1普通电扇

普通电扇的基本工作原理就是通过特定顺序绕制的线包作为电机定子，然后通电产生一个旋转的磁场来带动转子转动，最后通过电动机的转子带动风叶旋转来推动空气流通。配置三个基本功能：调速、摇头以及定时。

家用电扇：常见的有台扇、落地扇、吊扇等，家用的电扇相对电机功率较小，叶子较小，叶子数量3片居多，給风缓和，风感体验柔和轻缓。

工业电扇：排风机、鼓风机、大吊扇等，相对家用的电扇而言，电机功率大，叶子较大，叶子数量4-5片，噪音较大，风感体验强劲有力。

1.2新型电扇

普通电扇设计已经非常成熟，也很人性化，但由于此类设计科技含量相对当今科技发展进步而言略显低级，且逐渐落后于当今人们对生活品质的需求体验，因此市场上逐渐出现了一些符合时尚个性化的体验更好的新型电扇。

无叶风扇：又称空气增倍机，它的特点是外部没有叶片，除尘方便，安全系数大大提高，可以避免伤到好奇儿童的手指，节能。无叶风扇的风最开始是由基座中的涡轮风扇，抽取底座旁的空气，通过圆环中间的1毫米宽的细微风槽以55英里的时速吹出来，夹带着周边的空气一起向前，并通过出风负压原理将后方更多的空气加入以平衡气压，增大风量，可以达到涡轮风扇本身抽取量的15倍。虽然无叶风扇能产生自然持续的风，还可以自由调整俯仰角、遥控控制、液晶显示室内温度及日期时间，在设计上更容易操作，更具人性化。但由于该类电扇的出风特性造成，让人实际感受到的真正的风量风速并不是那么大，它的节能完全是因为给风原理所限制造成的，是由牺牲风量风速换来的。网上也有许多购买无风风扇的消费者评论，说风吹起来像是空调风一样，过于绵柔无法驱除热量，且又没有空调风的温度，起不到瞬间降温的作用。

喷雾风扇：是一种目前最流行的户外制冷系统或开放开阔式室内用制冷系统。目前市场上主要有两种喷雾风扇，一种是离心式喷雾风扇，另一种是高压喷嘴式喷雾风扇。离心式喷雾风扇，是利用离心力将在旋转碟和雾粒喷散装置作用下的超微小的水雾，通过强力风扇吹出的气流向四周空间扩散水雾，并通过水蒸发降温原理来降低周围温度。高压喷嘴式喷雾风扇则是利用高压喷嘴产生微雾，雾滴直径小于10微米，蒸发表面积大大提高，微雾通过强力风扇吹出的气流，极大的提高了液体表面风速，加快了气体分子的扩散，从而达到吸收热量，降低温度的作用。它们共同的优势是提高空气相对湿度，减少粉尘，净化空气，降温效果明显。但不适合需要干燥环境的封闭式的室内空间中使用。

2.封闭空间降温风扇的基本构成

本文研究的封闭空间降温风扇由动力模块、节流模块和增压模块三大模块构成。

2.1动力模块：动力模块由电动机和叶扇组成，电动机通220v 50Hz交流电带动叶扇转动，叶扇转动使叶扇前后产生压力差，于是产生风力，风力再次在节流罩前后产生压力差，这压力差就是降温动力。

2.2节流模块：主要部件是节流罩，罩于风扇外面，其形状由漏斗型的的多个出风口构成，进风口口径大，出风口口径小，空气进入节流罩时压力变大，排出压力罩后压力变小，通过压力差以达到降温目的，节流罩的五个出风口可以通过旋转改变其大小口径，来调节风量和降温的温度，

2.3增压模块：叶扇外围至鼓风方向延伸20cm处设施挡板，其作用是防止风扇鼓出的空气因压力变大而散逸，使风扇效果更为显著，风扇。

如图所示，该风扇外观独特具有视觉冲击力，结构巧妙牢靠，几大模块分工明确，便于拆洗，易于更换维护，故障率低，制造成本也并不高于普通风扇。

3.封闭空间降温风扇的工作原理

封闭空间降温风扇的叶扇通过电动机的转动将空气鼓入节流罩，由于节流罩进风口大出风口小，且鼓进与鼓出的空气所需量相等，所以鼓出空气的流速将比鼓入空气的流速大，所以会由大量空气鼓入节流罩而生成的相对于罩子外更高的气压来提供更大的流速，这个过程就是节流过程。气体通过节流罩之后气压减小，形成一个压力差，这就是节流效应产生效果的条件。由热力学第一定律可知，对于封闭系统（类似于上文所述的密闭房间），热力学第一定律可表达为Q=ΔU +W。因为过程中流体与外界无热量交换，亦无净功量的交换，如果保持流体在节流后的高度和流速不变，即无重力位能和宏观动能的变化（或变化小到可以忽略不计），则节流后流体的焓h2与节流前的焓h1相等，即h2 = h1。同时，因绝热节流是不可逆的绝热过程，节流后流体的熵必然增大，有s2 > s1。根据能量守恒定律，节流前后的流体内部焓应保持不变，焓的三部分能量：动能、位能、流动能，在节流后是有变化的。当节流由于压力降低，气体体积膨胀，分子间距离增大，则使分子相互作用的位能增加。由于空分中的物料（空气，氧气，氮气）都是可以压缩膨胀的，流动能的变化相对较大，因此，位能的增加会造成动能的减少，而分子运动动能的大小表现为物体温度的高低。节流后动能减少，一般情况下，气体温度总是降低，所以吹出来的空气相对于环境温度是足足下降好几摄氏度的。这种效应也称为节流冷效应。而且节流前后气压差越大，节流的制冷量就越大。举一个例子，将舌尖微微抵住牙齿留出小小的一条缝隙吹出来的风就很凉爽，缝隙变大，风的降温效果就不那么明显了。小缝隙所形成的压强差大，大缝隙所形成的压强差小，这就是为什么会有这种现象的原因。由这个条件通过调节风扇的风力大小和节流罩出风口大小可以分别调节出风温度和出风量的大小使人感到舒适，达到类似空调的效果，这就弥补电风扇不可调节温度的缺点。总而言之本降温风扇综合有空调的吹出空气低温的优点和电风扇风力其中强盛的优点，起到巨大的降温效果。有人要问，风的降温是由什么换得的，它的优点肯定是由某一样特性转换而来的，其实它的低温是由对于普通风扇辐散的风换得的，节流罩将风集中，制造压力差换得风的低温，将普通风扇的劣势转换成优势，让能量的效率更高。

4.封闭空间降温风扇的设计优势

4.1安全性高

封闭空间降温风扇的工作环境是一个独立的半封闭空间，既有普通风扇的大风力又有安全的封闭式保护罩，无级变速自由调控，外物不能轻易进入。

4.2降温

封闭空间降温风扇的内部采用涡旋风叶，给风力度设计扭力可以同等普通风扇，通过节流罩集中风量增压，出风流速增大，降温性能好。

4.3舒适性爽

空调的使用使许多人会感到不适，往往容易得空调病，而普通电扇的使用又觉得风力不够大，扇出的风热乎乎的，室内温度是多少，给出的风温也是多少，没有降温的感觉。而使用本封闭空间降温风扇，就会有一种舒适性爽的感觉，给出的风温会远远低于室温，且给风流动性强劲。

4.4节能适用

先不说那可怕的电费和对环境造成的污染，光是它的购买费用和安装成本就让人大吃一惊，本封闭空间风扇只对使用者单体降温，所造成的无谓的浪费少，而且见效快，相比于空调十分钟后才出效果降温风扇的打开开关不足一秒的凉风鼓出，实在是太过于迅速了。空调的维护消耗也十分巨大，常常要消耗巨大的人力物力去清洗维修。空调也不易于搬迁移动，对于厨房这种高温的地方对整个空间降温于事无补，没有人会在厨房安装空调，这时候降温风扇的优势又体现出来了，它可以轻松带进厨房，而且直接将凉爽风送至使用者体表而不是想尽办法将灶台热气温度降低做无用功。

本封闭空间降温风扇适用性强，适合家庭、工厂企业、商场超市、学校医院，在室内室外都可以应用，设计的产品可大可小，适合老人亦适合小孩的使用。

5.适用人群

酷爱低温者，对于喜爱皮肤接触凉爽空气的人，电风扇功率再大也满足不了他们的要求，电风扇给使用者营造的最凉爽的体感温度也只不过是房间内的最低温度。新型风扇则是真正意义上的降低空气温度。

其次无叶风扇目前市场价格高昂，其最大的优势就是防止小孩的手指被旋转的叶片伤到，然而在节流罩的保护下本新型降温风扇也可以做到这一点。无叶风扇所说的安静也是在风力较小的情况下而言的，当风扇档位调大风扇的噪音就出现了。无叶风扇所谓的无级调速，实在是鸡肋不堪，本封闭空间降温风扇安装无极变速才能真正发挥其变速最大功能。