基于數(shù)值模擬技術的低壓損恒溫混水器結構優(yōu)化設計

　　摘 要：基于對現(xiàn)有混水器換熱結構的數(shù)值研究，分析造成其出口溫度波動大、壓力損失高的原因，并在此基礎上提出高效混水結構形式。數(shù)值研究結果顯示：新型換熱結構出口溫度波動在±1℃以內(nèi)，而系統(tǒng)壓損沒有顯著降低。在考慮結構工藝性的同時，結合優(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%。

　　關鍵詞：混水器;數(shù)值模擬;多目標優(yōu)化;溫度波動;壓力損失

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

　　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現(xiàn)恒溫供水的設備。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;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、實驗室、大型浴室等領域對恒溫供水需求的不斷增加，混水器產(chǎn)品不斷受到市場的關注，市場前景廣闊[3，4]。

　　由于能源結構和政策的調(diào)整，當前混水設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。在熱水供應標準化的背景下，當前混熱結構無法高效實現(xiàn)混水換熱，通常采用混水結構串聯(lián)或增大緩沖水箱等方式。增加了設備投入、占地面積，及系統(tǒng)復雜性。(2)壓力損失大。通過簡單的增加擾流結構，使得冷熱水通過高壓損結構，實現(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，在分析當前結構造成換熱效率低、壓損高原因的基礎上提出結構改進方案，并通過多目標優(yōu)化算法實現(xiàn)結構優(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)有混水換熱結構數(shù)值分析

　　如圖1所示，為當前廣泛采用的一種恒溫混水器結構形式。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，設置緩沖水箱并在其中布置兩級擾流葉片。混合水通過緩沖水箱端部出口流出。具體求解設置如下：

　　(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置為1.6975kg/s，溫度為5℃，湍流強度為5%，水力直徑34mm;熱水入口質(zhì)量流量為2.16kg/s，溫度為95℃，湍流強度為5%，水力直徑為65mm。

　　(2)出口邊界條件。出口為壓力出口，設定出口相對壓力為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。

　　結合定常計算，RNG k-ε模型，動量方程及能量方程采用二階應風格式離散[6]，收斂標準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)值計算結果顯示：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備使用，增加了系統(tǒng)復雜性，增加了設備投入。

　　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)域為高溫區(qū)域，冷色區(qū)域為低溫區(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 新型混水換熱結構數(shù)值分析

　　基于對原型混水結構問題的分析，本文提出一種基于螺旋線型葉片的混水換熱結構。圖4中給出新型混水器結構示意圖。圖中可見，冷熱水通過內(nèi)外嵌套的管路進入混水結構，內(nèi)層為熱水，外層為冷水。冷熱水沿周向流動過程逐漸進入漸擴管。在中央隔板的阻隔作用下，冷熱水分別沿外側及內(nèi)側并流進入預旋段，在此過程中，中央隔板持續(xù)起到冷熱水熱傳導作用。預旋段由12片螺旋線型導流葉片組成，沿軸向流動的主流被導流葉片分為12道支流，并隨著螺旋線旋向方向產(chǎn)生一定的周向分運動。在此過程中，中央隔板持續(xù)存在，使得冷熱水分別獨立加速旋轉，并持續(xù)進行熱傳導。此后沿軸向，導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)側為熱水，外側為冷熱，為進一步使其混合充分，在內(nèi)外側壁面上設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)側流動的趨勢，而內(nèi)層熱水有向外側流動的趨勢，進一步增進對流換熱量。最終，混合水通過出口輸出。