基于熱力學(xué)理論設(shè)計(jì)的新型氣體膨脹降溫冷風(fēng)扇

董振銘

摘? ?要：根據(jù)熱力學(xué)理論，在絕熱系統(tǒng)當(dāng)中，氣體體積膨脹，對外做功，氣體內(nèi)能下降，溫度減低。如果在傳統(tǒng)的風(fēng)扇的扇葉和導(dǎo)風(fēng)輪之間添加一個(gè)使氣體體積膨脹的裝置，那么就可以使得傳統(tǒng)的風(fēng)扇吹出溫度較低的冷風(fēng)，從而使得風(fēng)扇具有一定程度的降溫功能。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)? 氣體膨脹? 降溫? 風(fēng)扇? 冷風(fēng)扇

中圖分類號：TB61+1; TB657.2? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0119-03

Abstract： according to the thermodynamic theory， in an adiabatic system， the volume expansion of a gas， the external work done， the internal energy of the gas decreases， the temperature decreases. If a device is added to expand the volume of the gas between the fan blade and the wind guide wheel of the traditional fan， it can make the traditional fan blow cold air with lower temperature， so that the fan can cool down the air.

Key Words： Thermodynamics; Gas expansion; Cool; Fan; Cool fan

傳統(tǒng)的風(fēng)扇的散熱原理是通過空氣流動(dòng)加速物體表面的水的蒸發(fā)，蒸發(fā)帶走熱量，散熱降溫。人體皮膚汗腺分泌的水分在接觸到風(fēng)后加快蒸發(fā)，人體就能明顯感受到?jīng)鏊母杏X，所以人們在剛洗完澡，全身水珠的時(shí)候吹風(fēng)扇感覺最涼爽。市面上除了傳統(tǒng)的風(fēng)扇和空調(diào)，還有一種介于兩者之間的冷風(fēng)扇，但是多是通過一些吸水紙質(zhì)材料和水箱結(jié)合（要外加冰種）的傳統(tǒng)風(fēng)扇，或者只是單純地通過加裝水霧噴灑裝置來降溫。這些冷風(fēng)扇本身沒有高效的降溫動(dòng)力系統(tǒng)，降溫效果一般，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上空調(diào)，屬于一種適合年輕人隨聲攜帶的新式小風(fēng)扇，在市場上的定位偏向于科技小產(chǎn)品、小玩具一類。而基于熱力學(xué)理論設(shè)計(jì)的新型冷風(fēng)扇，有類似于空調(diào)壓縮機(jī)的氣體體積膨脹處理，該降溫裝置是配備動(dòng)力源，能進(jìn)行高效降溫的，能夠完美實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)風(fēng)扇和空調(diào)之間的完美過渡。傳統(tǒng)風(fēng)扇便宜但降溫不理想;空調(diào)高效降溫但價(jià)格為一般風(fēng)扇的十倍以上，能耗高還污染環(huán)境，而且不適合室外開闊環(huán)境。新型冷風(fēng)扇，成本可以控制在傳統(tǒng)風(fēng)扇的兩倍左右，能耗可以控制在兩倍以內(nèi)，且降溫明顯，適用于室外開闊環(huán)境。

1? 新型冷風(fēng)扇三層結(jié)構(gòu)分解圖

風(fēng)扇主體和導(dǎo)風(fēng)輪與傳統(tǒng)的樣式并無實(shí)質(zhì)區(qū)別，關(guān)鍵在于在兩者之間添加一個(gè)降溫裝置，降溫裝置里面有三條管狀物，每一根管狀物都是可控制密封的氣體膨脹管，可以根據(jù)實(shí)際情況增加膨脹管的數(shù)量（見圖1）。

2? 膨脹管的具體結(jié)構(gòu)

工作原理：螺線管接入電路當(dāng)中，當(dāng)有電流I流入螺線管時(shí)，螺線管內(nèi)部產(chǎn)生磁場，磁場強(qiáng)度大小正比于電流I，計(jì)算無限長螺線管內(nèi)部磁場B有

B=μ0nI[1]

其中μ0是真空的磁導(dǎo)率，n是單位長度的螺線管匝數(shù)，I是電流。圖2中的螺線管長度應(yīng)該是密集且完全包裹彈簧和兩端的鐵磁體材料的，可采用上式計(jì)算（見圖2）。

彈簧兩端的鐵磁體以及內(nèi)管外壁和螺線管之間的鐵條，由于受到同一個(gè)磁場的磁化，磁化后磁性大大增強(qiáng)且同[2]，所以表現(xiàn)出較大的磁力吸引作用，由于尾部鐵磁體固定，則內(nèi)部包裹鐵磁體的活塞就會壓縮彈簧，靠近尾部，使得壓縮分管壓縮。磁力、彈簧力和氣體壓力差平衡時(shí)停止（略去摩擦力），有

F磁=F彈+F氣壓差

可取鐵磁體磁力作用正比于磁場，γ應(yīng)包含了磁化過后的正比常數(shù)（可實(shí)驗(yàn)測出），k是彈簧勁度系數(shù)，?x是彈簧收縮量，S是內(nèi)管的橫截面積。

F磁=γB=k?x+（P大氣壓-P膨脹氣體）S

如果彈簧被壓縮的過程中膨脹分管處于密封狀態(tài)，則膨脹分管內(nèi)的空氣就會發(fā)生膨脹。根據(jù)熱力學(xué)定律[3]，膨脹分管內(nèi)的氣體體積膨脹，對活塞做功，輸出能量，內(nèi)能下降，溫度降低，此時(shí)風(fēng)扇吹過來的風(fēng)從膨脹管周圍或者疏通導(dǎo)風(fēng)孔流過，通過熱傳導(dǎo)降溫。

當(dāng)初始時(shí)設(shè)定一個(gè)逐漸增大的電流I接入螺線管，內(nèi)管的活塞逐漸壓縮彈簧，當(dāng)彈簧開始被壓縮時(shí)，尾部的壓力傳感器感受到壓力開始變化，通過控制電路將膨脹分管的閥門接入電流，閥門是密封材料包裹的電磁體，通電產(chǎn)生磁性，通過磁吸作用緊密閉合（如不帶電磁體的磁吸冰箱門[4]）。此時(shí)膨脹分管密封，內(nèi)部氣體在彈簧收縮時(shí)發(fā)生膨脹，溫度減低，期間風(fēng)扇的風(fēng)掠過管體通過熱傳導(dǎo)降溫。當(dāng)電流增大至一個(gè)最大值時(shí)，磁力、彈簧力和氣體壓力差平衡，不再收縮。壓力傳感器的控制電路接收到穩(wěn)定的峰值壓力信號后，將閥門電流降至0，磁性消失，閥門開啟，同時(shí)緩慢降低接入螺線管的電流I至0，磁力逐漸下降，彈簧逐漸伸長至原長，膨脹管內(nèi)的低溫氣體被推出膨脹分管，并因風(fēng)扇風(fēng)力作用迅速和周圍流動(dòng)氣體混合，使得整體吹出來的風(fēng)溫度下降，周圍空氣溫度下降。

3? 膨脹管的簡單電路

膨脹管簡單電路（見圖3），工作過程中壓力傳感器的壓力信號圖，如圖4。

控制電路是有定時(shí)功能的芯片，外接電。工作時(shí)，控制電路給可控電源輸入逐漸增大的電壓U，增大過程不能過快，以免電感元件（螺線管）產(chǎn)生反電動(dòng)勢過大燒毀電路，如果電壓增大的過程可以視為準(zhǔn)靜態(tài)的，則有

F壓=F彈=F磁-F氣壓差=γμ0nI-（P大氣壓-P膨脹氣體）S=γμ0nU/R-（P大氣壓-P膨脹氣體）S

U逐漸增大，壓力F就逐漸增大。t=0時(shí)，壓力開始變化，控制電路檢測到變化信號后通電關(guān)閉閥門，彈簧壓縮，氣體膨脹。到t=t1時(shí)，壓力F和電壓U達(dá)到峰值，控制電路檢測到不變的峰值信號后，將閥門電流降至0，閥門開啟。經(jīng)過一段時(shí)間，到t=t2時(shí)，控制電路控制電源電壓逐漸下降，在t=t3時(shí)降至0，電路和降溫裝置恢復(fù)到t=0時(shí)的狀態(tài)，即原始狀態(tài)。靜置一段時(shí)間后，到t=t4時(shí)，控制電路又重新開始重復(fù)上面的工作。

故0～t4為一個(gè)工作周期。

4? 降溫效果計(jì)算

彈簧原長L，此時(shí)膨脹分管內(nèi)管長d，內(nèi)管橫截面積S，彈簧壓縮?x后。

以理想氣體模型計(jì)算，根據(jù)理想氣體的物態(tài)方程αmol氣體

pV=αRT[5]

初態(tài)：

P大氣壓dS=αRT1

末態(tài)：

P膨脹氣體（d+?x）S=αRT2

得

根據(jù)①式，得

將③式代入②式中得

上式小于0，因?yàn)槭墙禍剡^程。

風(fēng)扇單位時(shí)間內(nèi)的排風(fēng)量，單位是L/s（升每秒），換算為摩爾每秒，Vm是對應(yīng)環(huán)境大氣壓和溫度下的摩爾體積。

計(jì)算一個(gè)周期0～t4時(shí)間的平均降溫結(jié)果：

空氣摩爾熱容為Cm，近似不變，冷熱空氣混合過程能量守恒，

3根膨脹管，所以是3α，

將④式代入⑤式得

3α和βt4相比，即膨脹氣體原體積和風(fēng)扇一個(gè)周期t4排風(fēng)量比，很小，可略去不算，得

是降溫過程。

風(fēng)扇單位時(shí)間內(nèi)的排風(fēng)量β越小，降溫裝置的工作周期t4越短，通入螺線管的電流越大，膨脹管越多，則降溫幅度越大，降溫效果越好。

顯然，降溫工作周期越短，則降溫頻率高，溫度下降就大;接入電壓U越大，電流就越大，螺線管產(chǎn)生磁場強(qiáng)度越大，磁力越強(qiáng)，彈簧收縮越大，氣體體積膨脹就越大，降溫幅度就越大;風(fēng)扇單位時(shí)間內(nèi)的排風(fēng)量越小，則混合氣體中冷空氣占比重就大，降溫就大;膨脹管數(shù)量越多，工作降溫的量就越多，降溫幅度越大。

5? 關(guān)于新型冷風(fēng)扇的注意事項(xiàng)

（1）螺線管是電感元件，所以接入的電流不能一下子變化過大，應(yīng)采用逐漸增大或減小電流的方法，避免〖電感的反電動(dòng)勢[6]燒壞電路。

（2）降溫裝置的工作周期不宜過短，過短的話電流要求變化大，同時(shí)由于工作頻率過高，壓縮分管內(nèi)部活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量和噪音影響不可忽略。

（3）當(dāng)工作周期較短、工作電流（峰值電壓）較大時(shí)，降溫周期短，降溫幅度大，應(yīng)該增大排風(fēng)量，以確保獲得冷空氣得到充分利用;當(dāng)工作周期較長、工作電流（峰值電壓）較小時(shí)，降溫周期長，降溫幅度小，應(yīng)該減小排風(fēng)量，以確保制冷降溫效果。

6? 經(jīng)濟(jì)成本、能耗和泛用性

成本：傳統(tǒng)風(fēng)扇的核心是風(fēng)扇電機(jī)，成本主要集中在電機(jī)上。而增加的降溫裝置主要成本是膨脹管的材料、內(nèi)部鐵磁體和控制電路的芯片，還有優(yōu)質(zhì)彈簧。如果芯片技術(shù)成熟，材料選取得當(dāng)，那么新型的冷風(fēng)扇價(jià)格應(yīng)該在傳統(tǒng)風(fēng)扇的兩倍左右。對比貴十倍價(jià)格以上的空調(diào)和市面一般的冷風(fēng)扇，這都是有一定優(yōu)勢的。

能耗：新型冷風(fēng)扇由于增加了一個(gè)降溫裝置，能耗肯定會比傳統(tǒng)風(fēng)扇高，但通過提高材料質(zhì)量和降低壓縮分管內(nèi)的摩擦，配備旋鈕調(diào)控降溫頻率（工作周期）和降溫幅度（峰值電壓），可以將能耗控制在原來傳統(tǒng)風(fēng)扇的兩倍以內(nèi)。

泛用性：比起不制冷的傳統(tǒng)風(fēng)扇、市面制冷效果一般的冷風(fēng)扇，以及價(jià)格高、能耗高但不適用于室外開闊地方的空調(diào)，新型冷風(fēng)扇具有較大的優(yōu)勢，能耗不高有制冷效果且能適用于開闊地帶（如工作廠房、車間等）。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程 電磁學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[2] 梁燦彬.電磁學(xué)[M].第1版.北京：高等教育出版社，1980.

[3] 汪志誠.熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理[M].5版.北京：高等教育出版社，2013.

[4] 林朝平.冰箱磁性門封條的保養(yǎng)和維修[J].家電檢修技術(shù)，1996（5）：24.

[5] 李椿，章立源，錢尚武著，等.熱學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2008.

[6] 梁燦彬.電磁學(xué)[M].第1版.北京：高等教育出版社，1980.