基于數(shù)值模擬技術(shù)的低壓損恒溫混水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　摘 要：基于對現(xiàn)有混水器換熱結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究，分析造成其出口溫度波動大、壓力損失高的原因，并在此基礎(chǔ)上提出高效混水結(jié)構(gòu)形式。數(shù)值研究結(jié)果顯示：新型換熱結(jié)構(gòu)出口溫度波動在±1℃以內(nèi)，而系統(tǒng)壓損沒有顯著降低。在考慮結(jié)構(gòu)工藝性的同時，結(jié)合優(yōu)化算法，提出一種多排短葉片混熱方式，溫度波動控制在±1.1℃，而壓力損失降低超過50%。

　　關(guān)鍵詞：混水器;數(shù)值模擬;多目標(biāo)優(yōu)化;溫度波動;壓力損失

　　《科技通報(bào)》由浙江省科學(xué)技術(shù)協(xié)會主辦、《科技通報(bào)》編輯部編輯出版的含理、工、農(nóng)、醫(yī)等學(xué)科的自然學(xué)科綜合類學(xué)術(shù)期刊。

　　引言

　　混水器是一種根據(jù)用戶需要將定量冷熱水均勻混合而實(shí)現(xiàn)恒溫供水的設(shè)備。混水器高效混水使得水溫調(diào)節(jié)時間大大縮短，從而顯著的節(jié)省了在此過程中水資源的浪費(fèi);更重要的是，此過程中排出的水中攜帶大量熱能，調(diào)節(jié)時間的縮短使得熱能的利用率得到提升。隨著能源意識的提升[1，2]，采暖供熱系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝過程、實(shí)驗(yàn)室、大型浴室等領(lǐng)域?qū)銣毓┧枨蟮牟粩嘣黾?，混水器產(chǎn)品不斷受到市場的關(guān)注，市場前景廣闊[3，4]。

　　由于能源結(jié)構(gòu)和政策的調(diào)整，當(dāng)前混水設(shè)備尚不能很好的滿足市場對混水器高效恒溫供水的要求。主要體現(xiàn)在：(1)供水溫度波動大。在熱水供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的背景下，當(dāng)前混熱結(jié)構(gòu)無法高效實(shí)現(xiàn)混水換熱，通常采用混水結(jié)構(gòu)串聯(lián)或增大緩沖水箱等方式。增加了設(shè)備投入、占地面積，及系統(tǒng)復(fù)雜性。(2)壓力損失大。通過簡單的增加擾流結(jié)構(gòu)，使得冷熱水通過高壓損結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)混熱的同時造成了壓力能的巨大損失[5]。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，在分析當(dāng)前結(jié)構(gòu)造成換熱效率低、壓損高原因的基礎(chǔ)上提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并通過多目標(biāo)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終在保證恒溫輸出穩(wěn)定精度的同時，顯著降低了壓力損失，還縮小設(shè)備整體尺度為混水器改型升級提供了有效解決方案。

　　1 現(xiàn)有混水換熱結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

　　如圖1所示，為當(dāng)前廣泛采用的一種恒溫混水器結(jié)構(gòu)形式。一定壓力的熱水沿著頂部流入，冷水通過流量控制閥在一定壓力下沿中部兩個口注入。為使冷熱水充分混合換熱，設(shè)置緩沖水箱并在其中布置兩級擾流葉片?；旌纤ㄟ^緩沖水箱端部出口流出。具體求解設(shè)置如下：

　　(1)入口邊界條件。入口為質(zhì)量流量入口，冷水兩個入口流量均設(shè)置為1.6975kg/s，溫度為5℃，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑34mm;熱水入口質(zhì)量流量為2.16kg/s，溫度為95℃，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為65mm。

　　(2)出口邊界條件。出口為壓力出口，設(shè)定出口相對壓力為0。

　　(3)壁面條件。根據(jù)選定的湍流模型，把水流作為粘性流體來處理，所以在近表面處要使用無滑移條件和無滲透條件。

　　結(jié)合定常計(jì)算，RNG k-ε模型，動量方程及能量方程采用二階應(yīng)風(fēng)格式離散[6]，收斂標(biāo)準(zhǔn)為各方程的殘差均小于10-5。

　　圖2中給出了原型混水器內(nèi)部流線分布情況，流線的顏色反應(yīng)流體流動速度的大小，冷色調(diào)表示速度較低，暖色調(diào)表示速度較高。圖中可見，混水器內(nèi)部流速較大的區(qū)域分別出現(xiàn)在冷熱水相遇處，以及兩級擾流葉片附近。冷熱水相遇處速度最大接近5.3m/s。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：混合過程冷熱水壓力損失均較大，冷水壓損約33kPa，熱水的壓損約48kPa。由于較大壓差的存在，降低了混水器節(jié)能降耗的作用，也使得混水器需配套冷熱水加壓設(shè)備使用，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，增加了設(shè)備投入。

　　圖3中給出了原型混水器出口平面溫度分布情況，圖中溫度單位為開爾文。左圖顯示暖色區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)域，冷色區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)域;右圖通過溫度等值線的方式給出了不同溫度的分布區(qū)域。由圖中可見，出口界面溫度分布并不均勻。基于當(dāng)前工況冷熱水的入口溫度及流量，理論出口溫度為313.15K，數(shù)值結(jié)果顯示出口溫度約為313.15±4K。出口界面溫度分布不均，且溫差較大，不滿足恒溫供水要求。

　　2 新型混水換熱結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

　　基于對原型混水結(jié)構(gòu)問題的分析，本文提出一種基于螺旋線型葉片的混水換熱結(jié)構(gòu)。圖4中給出新型混水器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中可見，冷熱水通過內(nèi)外嵌套的管路進(jìn)入混水結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為熱水，外層為冷水。冷熱水沿周向流動過程逐漸進(jìn)入漸擴(kuò)管。在中央隔板的阻隔作用下，冷熱水分別沿外側(cè)及內(nèi)側(cè)并流進(jìn)入預(yù)旋段，在此過程中，中央隔板持續(xù)起到冷熱水熱傳導(dǎo)作用。預(yù)旋段由12片螺旋線型導(dǎo)流葉片組成，沿軸向流動的主流被導(dǎo)流葉片分為12道支流，并隨著螺旋線旋向方向產(chǎn)生一定的周向分運(yùn)動。在此過程中，中央隔板持續(xù)存在，使得冷熱水分別獨(dú)立加速旋轉(zhuǎn)，并持續(xù)進(jìn)行熱傳導(dǎo)。此后沿軸向，導(dǎo)流葉片及中間隔板同時去除，冷熱水發(fā)生直接混合。由于支流內(nèi)側(cè)為熱水，外側(cè)為冷熱，為進(jìn)一步使其混合充分，在內(nèi)外側(cè)壁面上設(shè)置圖中所示的擾流擋圈。內(nèi)外層熱水和冷水在混合過程中，由于若干層擋圈的存在使得外層冷水有向內(nèi)側(cè)流動的趨勢，而內(nèi)層熱水有向外側(cè)流動的趨勢，進(jìn)一步增進(jìn)對流換熱量。最終，混合水通過出口輸出。