基于TRIZ创新理论的新型恒温混水器结构设计

田 辉，王文成

（承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000）

基于TRIZ创新理论的新型恒温混水器结构设计

田 辉，王文成

（承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000）

对传统混水器各组成部分及作用进行功能分析，获得影响换热效果及导致压力损失的环节。在此基础上利用冲突矩阵工具确定解决此问题的发明原理。通过一定程度上增加叶片数量以保证冷热水混合换热的周期性及连续性；进一步优化曲面型线及叶片数量使其更符合流动规律，文章最后获得了换热效果及压损特性良好的新型混水器换热结构。

恒温混水器；换热结构；TRIZ；功能分析；冲突矩阵

混水器是一种根据用户需要将定量冷热水均匀混合而实现恒温供水的设备。混水器高效混水使水温调节时间大大缩短，从而显著地节省了在此过程中水资源的浪费；更重要的是，此过程中排出的水中携带大量热能，调节时间的缩短使热能的利用率得到提升。当前应用较广的三种混水策略包括：①直接将冷热水通入较大储箱混合。这种方法结构简单，然而混合效果与储箱大小、混合时间直接相关，这就造成这类混合器为了保证供水温度通常需配备体积较大的储箱。此外，应用过程由于用水端需求的不同，储箱内大量热水的热量损失会造成能源浪费从而降低其系统运行的经济性。②带预混合的混水器。这种方法改变冷热水的注入形式，使其在进入储箱前起到一定的混合效果。这种结构增加了冷热水间(预混)对流换热效果，在一定程度上减小储箱体积仍能保证较好的混合效果。然而现有预混过程是靠通流面积及流动方向的剧烈变化实现的，此过程伴随着严重的流动损失造成混水器压力损失增加，同样降低其运行经济性。③叶片式混水器。这种方法在冷热水预混的同时可以通过绕流叶片进一步提高冷热水的混合换热程度。随着能源意识的提升，采暖供热系统、生产工艺过程、实验室、大型浴室等领域对恒温供水需求的不断增加，研究并开发高效的混水换热结构成为提升混水器性能的核心。

文章基于TRIZ创新理论就制约冷热水混合换热性能提升的问题进行系统功能分析，并利用冲突矩阵获得解决问题的策略。在此基础上，从限制换热性能提升的混水结构入手设计合理的冷热水流动及混合形式。

1 系统功能分析

TRIZ理论被普遍认为是一种为创新问题提供解决方案的理论，本部分在系统功能分析的基础上利用冲突矩阵分析方法为拟解决问题提供有效的解决策略。图1给出了提升冷热水混合效果而进行的功能模型图。

图1 混水器混水换热问题功能模型图

如图1所示，冷热水分别在加压装置的驱动作用下通过预混管道流经绕流叶片进一步混合换热，最后经过缓冲水箱输出到用户端。在此过程中还涉及系统内元素阀门，起到调节冷热水流量的作用。在此过程中绕流叶片对冷热水流态的转变程度是影响换热效果的最主要因素，但是随之而增加的流动损失会加大系统对加压装置的能耗需求进而整体上降低混水设备的经济性。

2 确定发明原理

通过功能分析发现，绕流叶片对冷热水的混合换热作用不充分，与绕流叶片对冷热水的阻碍作用是一对物理冲突。为了提高混水器换热系统的绕流叶片对冷热水的混合换热效果，需要设计合理的绕流叶片结构，使之充分改变冷热水的流动状态，增加冷热水的对流换热效果，但因此会导致系统的流动阻力损失增加，混水器压力损失提升。根据TRIZ理论冲突矩阵，解决此问题的过程得到改善的通用工程参数为（9）流场，而发生恶化的通用工程参数为（22）流动过程的能量损失。基于冲突矩阵表可知，解决此类问题应采用的发明原理为：（14）曲面化、（19）周期性、（20）连续性及（35）参数调整。

3 基于发明原理的高效混水结构设计

鉴于工程中的需要，文章综合应用上述发明原理对混水器换热结构进行设计，力求在保证输出水温偏差±1℃范围内降低混水器进出口的压力损失。基于上述四项发明原理，可将现有绕流直叶片改为曲面；一定程度上增加叶片数量以保证冷热水混合换热的周期性及连续性；进一步优化曲面型线及叶片数量使其更符合流动规律。如图2所示为新型混水器换热结构示意图。

图2 新型混水器混热结构示意图

冷热水在中心隔板作用下分别沿着轴向流入渐扩的换热区域，并被12个三维扭曲型叶片分流产生周向旋转流动。叶片包角为90°，中心隔板结束于叶片末端。冷热水在经过叶片后相互混合，由于周向旋转及径向离心运动使得冷热水充分对流换热，两层绕流挡圈的设置进一步促进热量沿径向的高效交换，最终达到水的恒温输出。

4 结论

文章基于TRIZ理论在对恒温混水器进行功能分析的基础上，利用冲突分析及解决理论对恒温混水器的换热结构进行了优化设计。数值计算结果显示新的换热结构可在保证输出水温偏差C范围内，混水器进出口压力损失较传统换热结构降低约30%。文章研究为提高恒温混水器的混水效果提供了一种有效途径。

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Structural Design of Thermostatic M ixing Device based on the TRIZ Theory

TIAN Hui，WANG Wen-cheng
（Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde，Hebei 067000，China）

The functionalanalysis isused foreach componentof the traditionalmixer，then the detailsofaffecting heat transfer performance and leading to high pressure are obtained.Furthermore，conflictmatrixmethod is induced to find the inventive principle for solving this problem.Based on adding the numberofblade to enhance the periodicity and continuity during the heat transfer process，it furtheroptimizes the blade shape，and obtainsa novelmixer structurewith good heat transfer performance and low pressure loss.

thermostaticmixing device；heatexchange structure；TRIZ；unctionalanalysis；conflictmatrix

TK11+4

A

2095-980X（2017）05-0106-01

2017-04-23

河北省自然科学基金（E2016411008）项目及河北省高等学校科学技术研究（QN2016245）项目资助。

田辉，主要研究方向：机械工程。