新型恒溫混水器換熱性能數(shù)值研究

田輝

（承德石油高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000）

新型恒溫混水器換熱性能數(shù)值研究

田輝

（承德石油高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000）

在對(duì)比分析新型混水器換熱原理的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)換水器內(nèi)冷熱水的三維流動(dòng)換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究。數(shù)值計(jì)算過(guò)程采用二階有限體積法離散控制方程，SIMPLE求解方法以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，并對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：新型混水器可在保證混水換熱效果的同時(shí)降低混水器的能量損失，且隨著流量的增加本混熱結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果逐漸提升。

恒溫混水器；換熱結(jié)構(gòu)；數(shù)值計(jì)算；壓力損失

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。由于混水器可大大減小調(diào)節(jié)水溫的時(shí)間，一方面可以滿足用水端對(duì)輸出水溫的要求，另一方面可大大提高在此過(guò)程中水資源以及能量（熱量）的利用效率。傳統(tǒng)混水器通過(guò)大儲(chǔ)箱實(shí)現(xiàn)冷熱水的混合，即造成設(shè)備體積龐大、成本高、還會(huì)造成輸出水的時(shí)間效應(yīng)低的問(wèn)題；帶有預(yù)混裝置的設(shè)備通過(guò)增加冷熱水的對(duì)流來(lái)提高此過(guò)程的換熱效果，然而會(huì)導(dǎo)致壓力損失的顯著提升，系統(tǒng)整體節(jié)能效果不明顯。文章所屬新型混水器通過(guò)設(shè)計(jì)三維扭曲型葉片流道使冷熱水的流動(dòng)及混合過(guò)程局部阻力損失及沿程阻力損失均得到明顯改善?；诹鲃?dòng)數(shù)值模擬技術(shù)，文章在對(duì)新型混水器的流動(dòng)換熱過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析，獲得其換熱及壓損特性。

1 新型混水器結(jié)構(gòu)

圖1 新型混水器混熱結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示為新型混水器換熱結(jié)構(gòu)示意圖。同軸流道內(nèi)通過(guò)中心隔板的分隔，內(nèi)外兩側(cè)分別為熱水及冷水。12個(gè)螺旋線型葉片包角為90°可使冷熱水沿著旋轉(zhuǎn)流道獲得周向速度。葉片末端隔板結(jié)束，冷熱水開(kāi)始混合，通過(guò)設(shè)置兩層繞流擋圈進(jìn)一步使混合水沿徑向充分混合，并最終沿底部出口輸出。

2 數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)于新型混水器內(nèi)冷熱水流動(dòng)換熱過(guò)程中的全三維粘性不可壓縮定常流動(dòng)換熱過(guò)程，其控制方程組可表示為：

采用混合網(wǎng)格方式進(jìn)行計(jì)算域離散，為保證收斂性對(duì)進(jìn)出口區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)拓展。近壁面區(qū)域布置5層邊界層網(wǎng)格，并采用連續(xù)過(guò)渡方式與內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行銜接。流動(dòng)區(qū)域內(nèi)部采用四面體網(wǎng)格，使網(wǎng)格整體具有較好的貼體性，保證網(wǎng)格質(zhì)量。葉片附近以及曲率變化較大的區(qū)域給定較小的網(wǎng)格尺度，并保證中心隔板最狹小處設(shè)置4個(gè)網(wǎng)格。基于對(duì)350萬(wàn)、450萬(wàn)、600萬(wàn)三套網(wǎng)格的數(shù)值分析，進(jìn)出口壓損、質(zhì)量流量、特征截面溫度分布等參數(shù)的偏差均小于3%，可以認(rèn)為已得到網(wǎng)格無(wú)關(guān)解。圖2中給出了所采用的450萬(wàn)網(wǎng)格分布圖。圖2（a）中所示為計(jì)算區(qū)域總體網(wǎng)格劃分情況，綠色虛線部分給出了葉片結(jié)構(gòu)示意，紅色區(qū)域內(nèi)部為葉片尾端網(wǎng)格分布情況，其局部剖視放大情況如圖2（b）所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格分布圖

計(jì)算過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬近壁面處流動(dòng)情況。全場(chǎng)近壁面y+介于30～75之間，由此可見(jiàn)所設(shè)置的近壁面網(wǎng)格尺度及壁面函數(shù)的選取是可行的。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定入口冷熱水流量，冷熱水入口溫度分別取5℃、95℃，同時(shí)給定一個(gè)較高的總壓（計(jì)算中取0.5MPa，便于獲得進(jìn)出口壓損情況）。出口邊界條件取出流邊界條件。這樣的進(jìn)出口邊界條件設(shè)置方式有利用計(jì)算收斂，又方便根據(jù)計(jì)算所得的出口總壓情況獲得流過(guò)水嘴的總壓損失。采用SIMPLE算法迭代求解控制方程組。計(jì)算過(guò)程首先采用一階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行試算，計(jì)算穩(wěn)定后采用二階迎風(fēng)格式繼續(xù)求解直至獲得收斂的解。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3給出了混水量為20t每小時(shí)（設(shè)計(jì)混水量）的冷熱水流線分布情況，且圖中流線的顏色反應(yīng)了流動(dòng)過(guò)程中水的溫度變化情況。冷/熱水分別沿著漸擴(kuò)管外側(cè)及內(nèi)側(cè)流動(dòng)，在葉片的作用下被分流為12個(gè)扁平的流束。圖3中可見(jiàn)，在此過(guò)程中主要發(fā)生的是流動(dòng)狀態(tài)的改變，周向速度逐漸加大，冷熱水溫度并無(wú)明顯變化。冷熱水交匯后，流線沿周向及徑向旋轉(zhuǎn)延伸的過(guò)程顯示出水的溫度發(fā)生劇烈變化。隨著流道漸縮過(guò)程，出口附近溫度場(chǎng)逐漸均勻。

圖3 新型混水器內(nèi)冷熱水流動(dòng)流線圖

圖4 出口截面溫度分布圖

圖4中顯示混水器出口處水的溫度已趨于均勻，出口處溫度偏差在1℃內(nèi)，符合用戶端對(duì)輸出水的溫度要求。圖5中給出了原始換熱結(jié)構(gòu)及新型換熱結(jié)構(gòu)的混水器壓損隨流量變化的曲線。紅色原點(diǎn)及黑色方塊分別給出了原始換熱結(jié)構(gòu)及新型換熱結(jié)構(gòu)的混水器壓損特性隨流量的變化情況。圖5中可見(jiàn)，隨著流量的增加兩種結(jié)構(gòu)的壓損都顯著增加，新型換熱結(jié)構(gòu)壓損隨流量的變化接近線性，而原始換熱結(jié)構(gòu)隨流量的增加壓損增加幅度不斷提升。此外，圖5中可見(jiàn)當(dāng)流量較小時(shí)，流量為每小時(shí)10t左右，新型換熱結(jié)構(gòu)的壓損略高于原始換熱結(jié)構(gòu)的壓損。這是由于小流量下新型換熱結(jié)構(gòu)內(nèi)十二個(gè)流道內(nèi)不能充分充滿流體而造成的不穩(wěn)定流動(dòng)。

圖5 混水器壓損隨流量變化曲線

4 結(jié)論

文章流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)新型混水器內(nèi)部流動(dòng)換熱過(guò)程進(jìn)行了全三維數(shù)值研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：螺旋線型葉片可使冷熱水實(shí)現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)并在此過(guò)程中充分混合，繞流擋圈的設(shè)置進(jìn)一步增加冷熱水沿徑向的混合換熱，出口溫度等溫線呈同心圓狀自圓心向周邊降低，且溫差不超過(guò)1℃，相比于傳統(tǒng)混水器，隨著流量增加新型混水器壓損特性提升越顯著。

［1］劉元芳，李一蒙，王奕麟.混水器混水比對(duì)二級(jí)網(wǎng)供水溫度的影響［J］.低溫建筑技術(shù)，2014，（9）：32-34.

［2］張志剛，鄭及鋒，楊智，等.兩種水──水換熱供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較分析［J］.天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，（1）：21-26.

［3］田輝，王文成，鄒克武，等.一種新型混水器的混水結(jié)構(gòu)［P］.河北：ZL 2016 2 070843.3.

［4］田輝，孫秀玲，郭濤，等.基于遺傳算法的離心泵葉片水力性能優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，（5）.

［5］田輝，郭濤，孫秀玲，等.離心泵內(nèi)部動(dòng)靜干涉作用的數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，（8）.

Numerical Study on Heat Transfer Performance of New Type Constant Tem perature M ixture

TIAN Hui
（Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde，Hebei 067000，China）

Based on the comparative analysis of the principle of heat transfer of the new type of watermill，the numerical simulation technique is used to study the three-dimensional flow heat transfer process of the hot and cold water in the converter.The numerical calculation process uses the second order finite volume method discrete control equation，SIMPLE solution method and the standard k-ε model，and verifies the independence of the grid.The numerical results show that the new type of water mixer can reduce the energy loss of the mixer while ensuring the effect of the mixed water heat transfer，and the energy saving effect of the mixed structure increases with the increase of the flow rate.

thermostatic mixer；heat transfer structure；numerical calculation；pressure loss

TK11+4

A

2095-980X（2017）06-0074-02

2016-06-14

河北省自然科學(xué)基金（E2016411008）項(xiàng)目及河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究（QN2016245）項(xiàng)目資助。

田輝，主要研究方向：機(jī)械工程。