塑料瓶空調(diào)降溫效果實(shí)驗(yàn)與分析

楊鎮(zhèn)瑜 雷禹東

摘? 要：針對(duì)在墻壁上鑲嵌塑料瓶對(duì)室內(nèi)進(jìn)行制冷的方法，該文制作了原理性模型，并利用模型進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在出風(fēng)口風(fēng)速在2m/s（相當(dāng)于2級(jí)風(fēng)速）及以下的情況下，裝置的降溫效果在溫度計(jì)誤差范圍內(nèi)（小于1℃）?；跐u縮噴管理論對(duì)該方法進(jìn)行分析，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，達(dá)到5℃的降溫效果需要風(fēng)速約100m/s（遠(yuǎn)超12級(jí)風(fēng)速）。可見，該方法在現(xiàn)實(shí)生活中無明顯實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：塑料瓶空調(diào)? 降溫效果? 實(shí)驗(yàn)分析? 漸縮噴管

中圖分類號(hào)：TU83 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）07（c）-0075-03

Experiment and Analysis of Cooling Effect of Plastic Bottles Air-Conditioner

YANG Zhenyu1? LEI Yudong2

（1.Class 2 of Grade 2019 High， International Department of Chengdu No.7 High School， Chengdu， Sichuan Province， 610040 China; 2.Class 8 of Grade 2018 High， Chengdu Jiaxiang Foreign Languages School， Chengdu， Sichuan Province， 610041 China）

Abstract： This paper introduced a cooling model which inserted bottles on walls， then an experiment was conducted to verify this model. The result showed that the cooling effect of the conditioner was within the margin of thermometers error under the circumstance that wind speed of the air outlet was under 2m/s. Based on the theory of convergent nozzle， the analysis corresponded to the experimental result， which showed that it required a wind speed about 100m/s to reach the 5℃ cooling effect. Thus， the method has no obvious practical value.

Key Words： Plastic bottle air-conditioner; Cooling effect; Experimental analysis; Convergent nozzle

1? 問題的提出

一則網(wǎng)絡(luò)視頻（稱為孟加拉生態(tài)制冷）曾經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，在視頻中，僅使用一組塑料瓶裝至墻壁上（見圖1），達(dá)到使室內(nèi)降低約5℃[1]。所以我們決定設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其真實(shí)性，如果裝置可以達(dá)到與視頻中一樣的效果，那則是一種低成本、低能耗的降溫方式。

2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置：紙箱（長(zhǎng)×寬×高：36cm×26cm×27cm），塑料瓶×4，多利科Dretec電子溫度計(jì)×4，家用電風(fēng)扇，?，擜T816風(fēng)速儀，秒表。

實(shí)驗(yàn)裝置總體布局見圖2，風(fēng)扇位于紙箱前。在紙箱后部正中剪下直徑為9cm的圓，作為氣流出口。將4個(gè)減掉底部的塑料瓶安裝在紙箱前部，見圖3。在風(fēng)扇與塑料瓶之間布置溫度計(jì)T1，并在紙箱側(cè)面插入3個(gè)溫度計(jì)T2、T3、T4，4個(gè)溫度計(jì)測(cè)溫尖端位于其中一個(gè)塑料瓶的軸線上，具體尺寸見圖2，實(shí)物照片見圖4。

3? 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

記錄0s時(shí)各個(gè)溫度計(jì)度數(shù)，打開風(fēng)扇，同時(shí)秒表開始計(jì)時(shí)，每隔30s記錄一次溫度計(jì)示數(shù)，共計(jì)時(shí)300s。打開箱子上蓋，用風(fēng)速儀分別測(cè)量入風(fēng)口與出風(fēng)口風(fēng)速并記錄。

第一次實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)扇處于中檔，經(jīng)測(cè)量入風(fēng)口風(fēng)速0.2m/s，出風(fēng)口風(fēng)速0.4m/s，結(jié)果見表1。

第二次實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)扇處于高檔，經(jīng)測(cè)量入風(fēng)口風(fēng)速1.4m/s，出風(fēng)口風(fēng)速2.0m/s，結(jié)果見表2。

由表表1.表2中數(shù)據(jù)可得，在風(fēng)扇兩個(gè)檔位的下，內(nèi)外部溫度無明顯差別，溫度差在溫度計(jì)誤差范圍內(nèi)（小于1℃）。所以，該裝置在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下無明顯效果。

4? 基于漸縮噴管的降溫效果分析

裝在墻壁上的塑料瓶相當(dāng)于一個(gè)漸縮噴管[2，3]，如圖5所示?？諝鈩?dòng)力學(xué)相關(guān)理論[1-2，4]表明，根據(jù)噴管出口壓力（pb，稱為背壓）與入口壓力p0的比值，和臨界壓力比βc的對(duì)比情況，漸縮噴管的流動(dòng)可以分為3種情況。

臨界壓力比βc的定義：

其中k為絕熱指數(shù)，對(duì)于常溫常壓的空氣，取k=1.4，此時(shí)臨界壓比為0.528。

（1）此時(shí)處于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)，出口為亞音速，小于當(dāng)?shù)匾羲?，出口壓力?/p>

（2）此時(shí)為臨界流動(dòng)狀態(tài)，出口為音速，出口壓力。

（3）此時(shí)為超臨界流動(dòng)狀態(tài)，出口為音速，出口壓力。

對(duì)于視頻中給出的條件，房屋內(nèi)外壓力差比較接近，因此我們只對(duì)第一種亞臨界流動(dòng)的情況進(jìn)行分析。漸縮噴管的出口參數(shù)可以由下式計(jì)算。

設(shè)入口壓力為100kPa，入口溫度為300K。根據(jù)上述公式，對(duì)不同的出入口壓力比，計(jì)算出口溫度和速度，如表3所示。

以成都地區(qū)為例，夏天平均高溫為31℃，極端高溫為34℃，而人體體感舒適溫度在2℃～26℃之間[5]，因此空調(diào)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)約5℃的降溫。但從表3中可見，如果達(dá)到理想的降溫效果（約5℃），需要塑料瓶出入口壓差達(dá)到5kPa以上，此時(shí)的塑料瓶的流速達(dá)到接近100m/s，而12級(jí)的臺(tái)風(fēng)速度只有32.7m/s[6]，這在日常生活中幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。

5? 結(jié)語

該塑料瓶制作的裝置，由實(shí)驗(yàn)可知，在風(fēng)速1.4m/s以下，溫度變化在溫度計(jì)誤差范圍內(nèi)（小于1℃）。由理論推導(dǎo)可知，在風(fēng)速約100m/s的情況下才可以達(dá)到視頻中降溫效果，這么高的流速在實(shí)際上是沒有實(shí)用價(jià)值的。所以視頻中的效果無法實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 席澤文，徐泓，楊銘昭，等.提高噴管降溫效果及舒適度的策略[J].山西科技，2018，33（2）：115-118.

[2] John Anderson.Fundamentals of Aerodynamics （Sixth Edition）[M].McGraw-Hill Education，2017.

[3] 張文全.高壓射流空化噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)及剪切空泡形成機(jī)理[D].江蘇大學(xué)，2019.

[4] 龐兆信.漸縮噴管的空氣噴速系數(shù)關(guān)聯(lián)式及其用途[J].化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1997（2）：46-53.

[5] 李振，李佳璇.甲烷燃燒溫度隨過?？諝庀禂?shù)變化數(shù)值模擬[J].煤氣與熱力，2019，39（1）：46-50.

[6] Yu Xin.主控制室核級(jí)空氣噴射器性能影響因素研究[J].暖通空調(diào)，2019，49（2）：5-7.

[7] 張宇飛，陳海昕，方曉明.基于CFD的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推阻分解方法及應(yīng)用[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2018，36（3）：114-123.

[8] 李剛，王煥，黃鵬，等.空調(diào)扇效果實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（6）：1077-1086.