空調(diào)扇是介于電扇與空調(diào)之間的一種通風(fēng)產(chǎn)品適合于在炎夏季節(jié)使用，尤其是在干燥酷熱的北方地區(qū)使用。空調(diào)扇雖有風(fēng)量小、制冷量小的缺點(diǎn);但具有增加濕度、過濾除塵、清涼送風(fēng)等優(yōu)點(diǎn)，所以空調(diào)扇雖幾經(jīng)沉浮尚有頑強(qiáng)的市場生命力。從目前市售的空調(diào)扇產(chǎn)品上來看，雖外形各異而致冷的方法基本相同，即采用簾布式水氣化制冷的方法。
空調(diào)扇簾布式水氣化制冷的概念
簾布式空調(diào)扇內(nèi)部最常見的兩種結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。當(dāng)橫流風(fēng)機(jī)(又稱貫流)轉(zhuǎn)動時(shí)，風(fēng)按圖示箭頭方向穿過簾布層帶走部分水氣，再經(jīng)風(fēng)機(jī)吹送出。水的蒸發(fā)氣化過程是一個吸熱的物理過程，水從周邊的空氣中吸收熱量令周邊空氣溫度下降，同時(shí)使風(fēng)的濕度增加。在筆者所在地杭州，夏季晴朗的日子里室內(nèi)相對濕度一般在55%～65%之間。如果空調(diào)扇出風(fēng)口的相對濕度在75%左右,這樣的風(fēng)就會令人感到清涼舒適。但空調(diào)扇的出風(fēng)量較小，以直徑120mm、長240mm葉輪在輸入功率50w四極異步電機(jī)驅(qū)動下為例，其出風(fēng)口風(fēng)速為5.5m/s所產(chǎn)生的風(fēng)量為5m3/min，該風(fēng)量僅是250mm普通電扇的1/6;加上水的氣化量單靠自然蒸發(fā)，蒸發(fā)量較少，故制冷效果并不理想。實(shí)測出風(fēng)口溫度僅比環(huán)境溫度低0.5℃-1℃。
空調(diào)扇配備冰晶盒對制冷效果的影響
有很多空調(diào)扇廠家為了提高制冷效果，往往配售冰晶盒。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為增用冰晶盒并不能有效地提高制冷效果，數(shù)據(jù)分析如下：(1)一般簾布式空調(diào)扇水的氣化量每小時(shí)僅為80～100g(2)風(fēng)機(jī)起動一段時(shí)間后水箱水溫會從35℃(夏季)降至26℃~28℃。(3)加用冰晶盒后水氣化量降至80g/h以下，水溫下降度數(shù)幾乎與上相近。為什么呢?假設(shè)將空調(diào)扇的機(jī)箱作為一個絕熱體，在不加用冰晶盒時(shí)，似乎是流經(jīng)的空氣釋放了部分熱量(Q1)，而水氣化所需氣化熱(Q3)即為Q1并隨空氣流出，可以說這是一個等焓過程。但事實(shí)是，水氣化所需氣化熱(Q3)初時(shí)不僅從空氣流中吸取熱量還從水中吸取熱量(Q2)即Q1+ Q2= Q3。由于水的熱傳導(dǎo)系數(shù)大于空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)，所以最初水箱水溫迅速下降。當(dāng)空氣向機(jī)內(nèi)水氣化傳遞的熱量正好等于水氣化所需熱量即達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，水溫便不再下降，且此時(shí)Q1≈Q3。如果機(jī)內(nèi)水氣化量很大以至流經(jīng)的空氣吸取水氣能達(dá)到飽和狀態(tài)(即相對濕度達(dá)100%)，此時(shí)空氣流的溫度將下降到與水溫一致26℃~28℃。這是非常誘人的結(jié)果。當(dāng)然，因多種原因這在實(shí)際上是達(dá)不到的。但是加用冰晶盒后，水所提供的氣化熱(Q2)有一部分被冰晶盒所奪取使水溫降低，引起水氣化量減少，反過來卻使水溫的進(jìn)一步降低受到了限制(水溫幾與不置冰晶盒時(shí)相近)。因此增用冰晶盒不能有效地提高制冷效果。
空調(diào)扇簾布式水氣化制冷的原理及提高制冷效果的改進(jìn)措施
簾布式空調(diào)扇制冷效果不理想的根本原因在于水氣化量少造成。因此，可以通過提高水氣化量，阻斷水箱水溫下降迫使空氣流輸出更多的能量(Q1)來提高制冷效果。目前常用的一種增加氣化量方法是采用蜂窩狀紙質(zhì)層代替平簾布層，其目的是通過增加蒸發(fā)面積加大蒸發(fā)量以提高制冷效果。然而，由于僅靠自然蒸發(fā)沒有額外能量提供所產(chǎn)生的制冷效果還是不理想。
為了提高空調(diào)扇的降溫、增濕效果，筆者曾嘗試用噴射霧化及超聲波霧化加大水氣化量的方法取得了較好效果。其中噴射霧化實(shí)施難度大于超聲波霧化，關(guān)鍵是噴射霧化機(jī)構(gòu)復(fù)雜且噪音難以控制、霧化均勻度較差。下面筆者以一空調(diào)扇(KTF-100型)為例對超聲波霧化(增大氣化量)制冷方法作一介紹：
采用浮箱式超聲波霧化制冷空調(diào)扇結(jié)構(gòu)如圖3所示。該機(jī)構(gòu)中最主要、也是最巧妙的采用了圓罐形浮箱，浮箱內(nèi)置壓電陶瓷震蕩器元件。震蕩晶振片為36V、0.8A、頻率1.74MHz 、Φ25mm陶瓷片。震蕩器采用LC三點(diǎn)式震蕩電路。浮箱蓋為金屬鋁壓鑄件，該件可以起到密封與散熱兩重作用。浮箱有兩耳孔置于水箱兩定位立柱中，浮箱能順著立柱隨水位高低而上下浮動。
設(shè)計(jì)浮箱體積時(shí)，應(yīng)注意使浮箱上表面低于水面，距離保持在20～25mm之間，以保證壓電片的最佳工作狀態(tài)。圖中設(shè)置的內(nèi)網(wǎng)架既是集霧室，也起到阻擋壓電片工作時(shí)所激起的水滴外濺的作用。為了減少白色水霧因來不及充分氣化隨風(fēng)逸出影響制冷效果，故在內(nèi)網(wǎng)架上又覆蓋一層錦綸紗網(wǎng)簾布來延緩氣流逸出速度以利于水霧充分氣化。在試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)采用超聲波霧化方法在使水變成了霧的同時(shí)，由于提供了額外能量，水箱水溫不僅不降反而比常溫時(shí)提高0.5℃。所以在霧離開水體進(jìn)一步氣化時(shí)所需的氣化熱(Q3)無法再從水中獲得，只得全部向周圍空氣中取得，因而提高了制冷效果。假如能使超聲霧化量保持足夠多，令出風(fēng)口氣流的相對濕度達(dá)80%以上，那么送出的氣流降溫比較明顯。本文所例舉的空調(diào)扇其氣化量大于500ml/h，最大風(fēng)量15m3/min，在環(huán)境室溫35℃、相對濕度55%時(shí)，在出風(fēng)口測得的溫度一般可比室溫低3.5℃～5℃左右。這里所指的氣化量(500ml/h)是指實(shí)際的水消耗量而非霧化量，事實(shí)上產(chǎn)生的霧化量大于氣化量，未氣化的大顆水霧返回水里。這里的過程是水—霧—氣過程，而非自然的水—氣過程。
空調(diào)扇的能量交換在理想狀態(tài)下(即將空調(diào)扇整體作為一個定壓絕熱體看待)是一個等焓過程，可以按以下方程進(jìn)行計(jì)算：
H1+H′=H2
其中：H1為進(jìn)入空調(diào)扇空氣流所具有的焓,(kJ/kg絕干空氣);H′為水氣水所帶入的焓，(kJ/kg.℃)，該項(xiàng)值很小可以忽略不計(jì);H2為流出空調(diào)扇空氣流所具有的焓，(kJ/kg絕干空氣);故可以認(rèn)為
H1=H2……(1)。
而 H1=1.01t1+(2490+1.88 t1)d1……(2)
其中t1、d1為空氣流在H1狀態(tài)時(shí)的溫度與含濕量，(kg水氣/kg絕干空氣)。
H2=1.01t2+(2490+1.88 t2)d2……(3)
其中t2、d2為空氣流在H2狀態(tài)時(shí)的溫度與含濕量，(kg水氣/kg絕干空氣)。
另外2490(kJ/kg)是水在0℃時(shí)的氣化熱;1.01(kJ/kg絕干空氣.℃)是絕干空氣的定壓比熱容;1.88(kJ/kg水氣.℃)是水氣的定壓比熱容。
又設(shè)： t2-t1=Δ td2-d1=Δd
將此兩式及(2)、(3)式均代入(1)式。
經(jīng)化簡可得下式：
Δt= -(1.88t1+2500)Δd/(1.01+1.88d1+1.88Δd) ……(4),
顯然Δt是Δd的函數(shù)。
現(xiàn)再將上面所例舉的空調(diào)扇數(shù)據(jù)按所列方程進(jìn)行如下計(jì)算：
可以從有關(guān)焓-濕圖中查到35℃時(shí)飽和蒸氣壓Ps=5.62KPa, 則可求得此時(shí)相對濕度φ=55%的含濕量d1。
d1=0.622φ.Ps/(Pt-φ.Ps)=0.622×0.55×5.62 /(101.3-0.55×5.62)=0.0196kg/kg
空氣比容V按下求得
V=(0.733+1.244d1)(ti+273)/273=(0.733+1.244×0.0196)×(35+273)/273=0.91m3/kg , 這里的d1、ti、是暫定值以便于計(jì)算，尚可以用逼近法進(jìn)一步精確計(jì)算。
又從氣化量0.5 kg /h可得0.14.10-3kg水氣/s ,從風(fēng)量5m3/min可得0.083m3/s
故而可折算出氣化后的增濕量： Δd=0.14.10-3×0.91/0.083=1.535.10-3(kg水氣/kg絕干空氣)
將這些數(shù)據(jù)帶入(4)式可計(jì)算得
Δt=-(1.88×35+2490)×0.00154/[1.88(0.0196+0.00154)+1.01]= -3.8 (℃)
計(jì)算所得值與實(shí)際測試值(降溫3.5℃)相近。
同時(shí)可從方程d2=0.622φ2.Ps2/(Pt-φ2.Ps2)，求得流出空調(diào)扇空氣流的相對濕度φ2=73%(焓-濕圖中查到31.2 ℃時(shí)飽和蒸氣壓Ps2=4.55KPa，d2=Δd+ d1=0.0211 kg水氣/kg絕干空氣)。
顯然，可以進(jìn)一步的加大霧化量可取得更好的降溫效果，例如將相對濕度提高到85%左右。但是應(yīng)注意霧的充分氣化。
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