基于數值模擬技術的低壓損恒溫混水器結構優化設計

　　摘 要：基于對現有混水器換熱結構的數值研究，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。數值研究結果顯示：新型換熱結構出口溫度波動在±1℃以內，而系統壓損沒有顯著降低。在考慮結構工藝性的同時，結合優化算法，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;數值模擬;多目標優化;溫度波動;壓力損失

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

　　引言

　　混水器是一種根據用戶需要將定量冷熱水均勻混合而實現恒溫供水的設備。混水器高效混水使得水溫調節時間大大縮短，從而顯著的節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，調節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、生產工藝過程、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混水換熱，通常采用混水結構串聯或增大緩沖水箱等方式。增加了設備投入、占地面積，及系統復雜性。(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，實現混熱的同時造成了壓力能的巨大損失[5]。本文基于數值模擬技術，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，并通過多目標優化算法實現結構優化，最終在保證恒溫輸出穩定精度的同時，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 現有混水換熱結構數值分析

　　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，冷色調表示速度較低，暖色調表示速度較高。圖中可見，混水器內部流速較大的區域分別出現在冷熱水相遇處，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。左圖顯示暖色區域為高溫區域，冷色區域為低溫區域;右圖通過溫度等值線的方式給出了不同溫度的分布區域。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，冷熱水通過內外嵌套的管路進入混水結構，內層為熱水，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側并流進入預旋段，在此過程中，中央隔板持續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生一定的周向分運動。在此過程中，中央隔板持續存在，使得冷熱水分別獨立加速旋轉，并持續進行熱傳導。此后沿軸向，導流葉片及中間隔板同時去除，冷熱水發生直接混合。由于支流內側為熱水，外側為冷熱，為進一步使其混合充分，在內外側壁面上設置圖中所示的擾流擋圈。內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側流動的趨勢，而內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。