塑料瓶空調降溫效果實驗與分析

楊鎮瑜 雷禹東

摘? 要：針對在墻壁上鑲嵌塑料瓶對室內進行制冷的方法，該文制作了原理性模型，并利用模型進行試驗，試驗結果表明在出風口風速在2m/s（相當于2級風速）及以下的情況下，裝置的降溫效果在溫度計誤差范圍內（小于1℃）。基于漸縮噴管理論對該方法進行分析，分析結果與實驗結果相符，達到5℃的降溫效果需要風速約100m/s（遠超12級風速）。可見，該方法在現實生活中無明顯實用價值。

關鍵詞：塑料瓶空調? 降溫效果? 實驗分析? 漸縮噴管

中圖分類號：TU83 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

一則網絡視頻（稱為孟加拉生態制冷）曾經引起了廣泛關注，在視頻中，僅使用一組塑料瓶裝至墻壁上（見圖1），達到使室內降低約5℃[1]。所以我們決定設計實驗驗證其真實性，如果裝置可以達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? 實驗設置

實驗裝置：紙箱（長×寬×高：36cm×26cm×27cm），塑料瓶×4，多利科Dretec電子溫度計×4，家用電風扇，希瑪AT816風速儀，秒表。

實驗裝置總體布局見圖2，風扇位于紙箱前。在紙箱后部正中剪下直徑為9cm的圓，作為氣流出口。將4個減掉底部的塑料瓶安裝在紙箱前部，見圖3。在風扇與塑料瓶之間布置溫度計T1，并在紙箱側面插入3個溫度計T2、T3、T4，4個溫度計測溫尖端位于其中一個塑料瓶的軸線上，具體尺寸見圖2，實物照片見圖4。

3? 實驗過程與結果

記錄0s時各個溫度計度數，打開風扇，同時秒表開始計時，每隔30s記錄一次溫度計示數，共計時300s。打開箱子上蓋，用風速儀分別測量入風口與出風口風速并記錄。

第一次實驗中，風扇處于中檔，經測量入風口風速0.2m/s，出風口風速0.4m/s，結果見表1。

第二次實驗中，風扇處于高檔，經測量入風口風速1.4m/s，出風口風速2.0m/s，結果見表2。

由表表1.表2中數據可得，在風扇兩個檔位的下，內外部溫度無明顯差別，溫度差在溫度計誤差范圍內（小于1℃）。所以，該裝置在實驗狀態下無明顯效果。

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于一個漸縮噴管[2，3]，如圖5所示。空氣動力學相關理論[1-2，4]表明，根據噴管出口壓力（pb，稱為背壓）與入口壓力p0的比值，和臨界壓力比βc的對比情況，漸縮噴管的流動可以分為3種情況。

臨界壓力比βc的定義：

其中k為絕熱指數，對于常溫常壓的空氣，取k=1.4，此時臨界壓比為0.528。

（1）此時處于亞臨界流動狀態，出口為亞音速，小于當地音速，出口壓力。

（2）此時為臨界流動狀態，出口為音速，出口壓力。

（3）此時為超臨界流動狀態，出口為音速，出口壓力。

對于視頻中給出的條件，房屋內外壓力差比較接近，因此我們只對第一種亞臨界流動的情況進行分析。漸縮噴管的出口參數可以由下式計算。

設入口壓力為100kPa，入口溫度為300K。根據上述公式，對不同的出入口壓力比，計算出口溫度和速度，如表3所示。

以成都地區為例，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]，因此空調應能實現約5℃的降溫。但從表3中可見，如果達到理想的降溫效果（約5℃），需要塑料瓶出入口壓差達到5kPa以上，此時的塑料瓶的流速達到接近100m/s，而12級的臺風速度只有32.7m/s[6]，這在日常生活中幾乎是不可能實現的。

5? 結語

該塑料瓶制作的裝置，由實驗可知，在風速1.4m/s以下，溫度變化在溫度計誤差范圍內（小于1℃）。由理論推導可知，在風速約100m/s的情況下才可以達到視頻中降溫效果，這么高的流速在實際上是沒有實用價值的。所以視頻中的效果無法實現。

參考文獻

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[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化設計及剪切空泡形成機理[D].江蘇大學，2019.

[4] 龐兆信.漸縮噴管的空氣噴速系數關聯式及其用途[J].化工設備設計，1997（2）：46-53.

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[7] 張宇飛，陳海昕，方曉明.基于CFD的渦扇發動機推阻分解方法及應用[J].空氣動力學學報，2018，36（3）：114-123.

[8] 李剛，王煥，黃鵬，等.空調扇效果實驗測試與理論分析[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2014（6）：1077-1086.