防塵風扇的研究與設(shè)計

　　摘要：為解決傳統(tǒng)風扇容易積灰、清洗難度大的問題，研究設(shè)計出了一種減少灰塵積累、便捷清理的新型防塵風扇。通過對傳統(tǒng)風扇積累灰塵原因的研究，正向利用靜電吸附，將研究結(jié)果與實際應(yīng)用相結(jié)合，使防塵風扇對灰塵的吸附、溶解、過濾各環(huán)節(jié)的設(shè)置更優(yōu)。

　　關(guān)鍵詞：防塵風扇;回流水管;半透膜;創(chuàng)新;設(shè)計

　　傳統(tǒng)風扇容易積灰，將積累的灰塵洗滌掉往往需要對風扇進行拆卸，十分耗費精力和時間，且很多公共場所(如教師、宿舍等)風扇吊頂放置，清理更加困難、清理人員清理高處的風扇也不安全。以解決風扇積灰不便于清潔為目的對防塵風扇進行設(shè)計與研究，致力于設(shè)計出可以更加便捷地進行清潔、減少灰塵積聚的新型風扇，希望可以通過該新型風扇便捷人們的生活，減少人力物力的消耗，增加人們生活的質(zhì)量。

　　1防塵風扇設(shè)計方案

　　風扇聚集灰塵是因為風扇在轉(zhuǎn)動時，側(cè)刃與空氣接觸并不斷摩擦使扇葉帶上了靜電，從而使扇葉不斷吸收室內(nèi)漂浮的細小灰塵，同時風扇轉(zhuǎn)動使風扇周圍的空氣流速變大，和外面的空氣形成壓力差，導(dǎo)致灰塵也被壓力推向風扇。在長久使用過程中，灰塵不斷地被吸附在扇葉上，再和大氣中的水蒸氣不斷結(jié)合產(chǎn)生結(jié)露反應(yīng)，導(dǎo)致灰塵黏糊在風扇上，非常難以清理。

　　故在側(cè)刃上設(shè)計回流水管，管壁的縫隙大小控制在萬分之一毫米左右，使得灰塵可以進入管內(nèi)，而管內(nèi)的溶劑不能出去。因為伯努利原理，流速大的地方壓強小，風扇轉(zhuǎn)動的時候，氣壓會把灰塵壓向管壁，從而使灰塵進入回流水管，隨后被溶劑溶解。回流水管通過小型發(fā)動機帶動，管內(nèi)的溶劑會隨著風扇的啟動進行循環(huán)，在循環(huán)末端設(shè)置過濾器，將溶劑中的灰塵過濾掉，定期更換過濾掉的灰塵即可。

　　2回流水管的設(shè)置

　　2.1回流水管位置的設(shè)置

　　考慮灰塵的吸收效率，回流水管應(yīng)設(shè)置在風扇最容易積灰的地方。對傳統(tǒng)風扇進行多方面觀察，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)風扇扇葉沿風扇旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)的側(cè)刃處積灰最多，且灰塵量從側(cè)刃處到扇面逐漸降低;風扇扇葉遠離中心軸的一端灰塵最多，且灰塵量從遠離中心軸的一端向內(nèi)逐漸降低。通過對風扇表面積灰程度的觀察研究，為最大限度地吸收灰塵，將回流水管設(shè)置在風扇的側(cè)刃處，又考慮到實際應(yīng)用的便捷和美觀，將新型防塵風扇的扇葉進行改造，在風扇側(cè)刃處嵌入回流水管。使得新型防塵風扇可以保持傳統(tǒng)風扇的使用效率及習(xí)慣，同時使得灰塵能快速被回流水管所吸收。根據(jù)伯努利原理：在流體中，速度越小，壓強越大;速度越大，壓強越大。

　　在風扇快速旋轉(zhuǎn)的時候，風扇周圍的壓強增加將空氣中的灰塵壓向風扇側(cè)刃，如在傳統(tǒng)風扇的情況下，這些灰塵會逐漸積累在風扇扇葉上，并隨著時間灰塵與空氣中的水蒸氣產(chǎn)生結(jié)露反應(yīng)，難以清理。設(shè)置回流水管則使灰塵在被壓向風扇側(cè)刃時就可以被扇葉側(cè)刃嵌入的回流水管吸收，從而不會有后續(xù)的灰塵積累過程，以此大大降低風扇的清理難度�；亓魉�管是新型防塵風扇的創(chuàng)新點，與傳統(tǒng)風扇相比較，回流水管的增加沒有使新型防塵風扇的成本過高，且與傳統(tǒng)風扇的外形沒有過大變化，新型防塵風扇的設(shè)計使其在防塵之外，同樣擁有很好的風感，不影響日常的使用，且使用方法與傳統(tǒng)風扇無異，簡單方便，但卻大大降低了傳統(tǒng)風扇的清理難度。

　　2.2回流水管半透膜及管內(nèi)溶劑的選擇

　　風扇的側(cè)刃最先與空氣摩擦，也是灰塵聚集最多的地方，因此回流水管設(shè)置在風扇的側(cè)刃處，沿著風扇的側(cè)刃環(huán)繞一周，為使灰塵順利進入環(huán)流水管中，對于回流水管采用半透膜制成。不同材料半透膜的間隙直徑不同，而灰塵顆粒的直徑一般在萬分之一到百萬分之一毫米。為使灰塵可以最大限度被吸附，選擇使用的半透膜的間隙直徑應(yīng)在萬分之一毫米左右�？紤]實際應(yīng)用，在半透膜間隙直徑確定的情況下，管內(nèi)溶劑要適量增稠，確保環(huán)流水管可以吸收灰塵，同時管內(nèi)溶劑不能出去。

　　對于具體溶劑的配比，本文不再贅述，可以通過設(shè)計多次對照試驗，在其余變量相等的情況下，將不同配比的溶劑與灰塵相溶解，找出溶解速率最快同時黏稠度適合的最佳配比方案。3基于伯努利原理的防塵風扇最適發(fā)動機模型3.1模型假設(shè)①環(huán)流水管管壁處處均勻，沒有折痕。②在風扇工作時，扇葉收到的大氣壓力處處相等。③環(huán)流水管管內(nèi)溶液在流動時充滿整個環(huán)流水管，沒有大氣泡存在。④環(huán)流水管內(nèi)溶液在流動時，各點速率相同。

　　3.2基于伯努利原理的防塵風扇最適發(fā)動機模型的建立

　　通過調(diào)查，市面上的風扇扇葉長度在25cm~100cm之間，風扇有擋位區(qū)別，一般低檔的轉(zhuǎn)速為14.2r/s，中檔轉(zhuǎn)速為16.7r/s，高檔轉(zhuǎn)速為19.2r/s。線速度v、扇葉長度r和轉(zhuǎn)速之間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：v=2πrN(1)用MATLAB對各項數(shù)據(jù)進行處理并繪制出圖像，通過圖像可看不同擋位下扇葉長度和速度的關(guān)系曲線斜率并不相等。對于發(fā)動機的選取，考慮其重要工作性能參數(shù)揚程，可以反映發(fā)動機能夠揚水的高度，也稱水頭。

　　通過上述調(diào)查得到的數(shù)據(jù)，可以得出水頭H的計算公式及謝才系數(shù)C:ìíîïïïïH=(v2L)(C2R)C=R6n(2)其中L=10r為環(huán)流水管的長度，R為環(huán)流水管的管道橫截面半徑，n=0.011為環(huán)流水管的管壁糙率。用MATLAB對公式進行計算并繪制出圖像。通過圖像可以看出不同擋位不同扇葉長度下所需的發(fā)動機水頭不同�？紤]到實際應(yīng)用的需求，選取發(fā)動機時，其揚程最大應(yīng)超過上圖所示的最大揚程16.1667m。

　　按計算出的結(jié)果，選擇的發(fā)動機只要保證揚程大于等于最大揚程即可，但若統(tǒng)一選取16.1667m的最大揚程，在低檔和中檔時會造成較大的電能浪費。為節(jié)省電能，在設(shè)計風扇時，應(yīng)讓風扇在選擇不同擋位時發(fā)動機所需的電能盡量小，則可以設(shè)置風扇在不同擋位下發(fā)動機的最大揚程也可變，所以風扇不同擋位使用時發(fā)動機最大揚程可以靈活變動，使選取的發(fā)動機揚程低檔為8.8429m，中檔為12.2307m，高檔為16.1667m。

　　化學(xué)論文投稿期刊：《化學(xué)教育》(Journal of Chemical Education)雜志創(chuàng)刊于1980年，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管，中國化學(xué)會主辦的國家級化學(xué)教育類學(xué)術(shù)月刊。國內(nèi)統(tǒng)一刊號：CN11-1923/O6，國際刊號：ISSN1003-3807，郵發(fā)代號：2-106，影響因子：0.3057。

　　4結(jié)語

　　新型防塵風扇利用伯努利原理使灰塵在風扇上結(jié)露之前使其溶解、過濾。正向利用靜電吸附，在灰塵結(jié)露前進行處理，所設(shè)計的新型風扇通過小的改變，極大地方便了風扇灰塵的清理，節(jié)省人力、物力、財力，減少清理吊頂風扇的危險性，提高人們的生活質(zhì)量，使風扇易積灰、灰塵難以清理的問題得到解決，且通過該方法改進的風扇需要的成本不會提得太高。

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　　作者：周俞秋子，葛苗，張雪，谷彩云，蔡云

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