新型恒溫混水器換熱性能數值研究

田輝

（承德石油高等專科學校 機械工程系，河北 承德 067000）

新型恒溫混水器換熱性能數值研究

田輝

（承德石油高等專科學校 機械工程系，河北 承德 067000）

在對比分析新型混水器換熱原理的基礎上，利用數值模擬技術對換水器內冷熱水的三維流動換熱過程進行了數值研究。數值計算過程采用二階有限體積法離散控制方程，SIMPLE求解方法以及標準k-ε模型，并對計算網格進行網格無關性驗證。數值計算結果顯示：新型混水器可在保證混水換熱效果的同時降低混水器的能量損失，且隨著流量的增加本混熱結構的節能效果逐漸提升。

恒溫混水器；換熱結構；數值計算；壓力損失

混水器是一種根據用戶需要將定量冷熱水均勻混合而實現恒溫供水的設備。由于混水器可大大減小調節水溫的時間，一方面可以滿足用水端對輸出水溫的要求，另一方面可大大提高在此過程中水資源以及能量（熱量）的利用效率。傳統混水器通過大儲箱實現冷熱水的混合，即造成設備體積龐大、成本高、還會造成輸出水的時間效應低的問題；帶有預混裝置的設備通過增加冷熱水的對流來提高此過程的換熱效果，然而會導致壓力損失的顯著提升，系統整體節能效果不明顯。文章所屬新型混水器通過設計三維扭曲型葉片流道使冷熱水的流動及混合過程局部阻力損失及沿程阻力損失均得到明顯改善。基于流動數值模擬技術，文章在對新型混水器的流動換熱過程進行詳細分析，獲得其換熱及壓損特性。

1 新型混水器結構

圖1 新型混水器混熱結構示意圖

如圖1所示為新型混水器換熱結構示意圖。同軸流道內通過中心隔板的分隔，內外兩側分別為熱水及冷水。12個螺旋線型葉片包角為90°可使冷熱水沿著旋轉流道獲得周向速度。葉片末端隔板結束，冷熱水開始混合，通過設置兩層繞流擋圈進一步使混合水沿徑向充分混合，并最終沿底部出口輸出。

2 數值計算方法

對于新型混水器內冷熱水流動換熱過程中的全三維粘性不可壓縮定常流動換熱過程，其控制方程組可表示為：

采用混合網格方式進行計算域離散，為保證收斂性對進出口區域進行了適當拓展。近壁面區域布置5層邊界層網格，并采用連續過渡方式與內部區域網格進行銜接。流動區域內部采用四面體網格，使網格整體具有較好的貼體性，保證網格質量。葉片附近以及曲率變化較大的區域給定較小的網格尺度，并保證中心隔板最狹小處設置4個網格。基于對350萬、450萬、600萬三套網格的數值分析，進出口壓損、質量流量、特征截面溫度分布等參數的偏差均小于3%，可以認為已得到網格無關解。圖2中給出了所采用的450萬網格分布圖。圖2（a）中所示為計算區域總體網格劃分情況，綠色虛線部分給出了葉片結構示意，紅色區域內部為葉片尾端網格分布情況，其局部剖視放大情況如圖2（b）所示。

圖2 計算區域網格分布圖

計算過程采用標準k-ε湍流模型，并采用標準壁面函數模擬近壁面處流動情況。全場近壁面y+介于30～75之間，由此可見所設置的近壁面網格尺度及壁面函數的選取是可行的。根據實際需要，設定入口冷熱水流量，冷熱水入口溫度分別取5℃、95℃，同時給定一個較高的總壓（計算中取0.5MPa，便于獲得進出口壓損情況）。出口邊界條件取出流邊界條件。這樣的進出口邊界條件設置方式有利用計算收斂，又方便根據計算所得的出口總壓情況獲得流過水嘴的總壓損失。采用SIMPLE算法迭代求解控制方程組。計算過程首先采用一階迎風離散格式進行試算，計算穩定后采用二階迎風格式繼續求解直至獲得收斂的解。

3 計算結果分析

圖3給出了混水量為20t每小時（設計混水量）的冷熱水流線分布情況，且圖中流線的顏色反應了流動過程中水的溫度變化情況。冷/熱水分別沿著漸擴管外側及內側流動，在葉片的作用下被分流為12個扁平的流束。圖3中可見，在此過程中主要發生的是流動狀態的改變，周向速度逐漸加大，冷熱水溫度并無明顯變化。冷熱水交匯后，流線沿周向及徑向旋轉延伸的過程顯示出水的溫度發生劇烈變化。隨著流道漸縮過程，出口附近溫度場逐漸均勻。

圖3 新型混水器內冷熱水流動流線圖

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，符合用戶端對輸出水的溫度要求。圖5中給出了原始換熱結構及新型換熱結構的混水器壓損隨流量變化的曲線。紅色原點及黑色方塊分別給出了原始換熱結構及新型換熱結構的混水器壓損特性隨流量的變化情況。圖5中可見，隨著流量的增加兩種結構的壓損都顯著增加，新型換熱結構壓損隨流量的變化接近線性，而原始換熱結構隨流量的增加壓損增加幅度不斷提升。此外，圖5中可見當流量較小時，流量為每小時10t左右，新型換熱結構的壓損略高于原始換熱結構的壓損。這是由于小流量下新型換熱結構內十二個流道內不能充分充滿流體而造成的不穩定流動。

圖5 混水器壓損隨流量變化曲線

4 結論

文章流動數值模擬技術對新型混水器內部流動換熱過程進行了全三維數值研究。數值計算結果顯示：螺旋線型葉片可使冷熱水實現周向旋轉并在此過程中充分混合，繞流擋圈的設置進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1℃，相比于傳統混水器，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.混水器混水比對二級網供水溫度的影響［J］.低溫建筑技術，2014，（9）：32-34.

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［3］田輝，王文成，鄒克武，等.一種新型混水器的混水結構［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化［J］.農業機械學報，2010，（5）.

［5］田輝，郭濤，孫秀玲，等.離心泵內部動靜干涉作用的數值模擬［J］.農業機械學報，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

河北省自然科學基金（E2016411008）項目及河北省高等學校科學技術研究（QN2016245）項目資助。

田輝，主要研究方向：機械工程。