新型恒温混水器换热性能数值研究

田辉

（承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000）

新型恒温混水器换热性能数值研究

田辉

（承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000）

在对比分析新型混水器换热原理的基础上，利用数值模拟技术对换水器内冷热水的三维流动换热过程进行了数值研究。数值计算过程采用二阶有限体积法离散控制方程，SIMPLE求解方法以及标准k-ε模型，并对计算网格进行网格无关性验证。数值计算结果显示：新型混水器可在保证混水换热效果的同时降低混水器的能量损失，且随着流量的增加本混热结构的节能效果逐渐提升。

恒温混水器；换热结构；数值计算；压力损失

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。由于混水器可大大减小调节水温的时间，一方面可以满足用水端对输出水温的要求，另一方面可大大提高在此过程中水资源以及能量（热量）的利用效率。传统混水器通过大储箱实现冷热水的混合，即造成设备体积庞大、成本高、还会造成输出水的时间效应低的问题；带有预混装置的设备通过增加冷热水的对流来提高此过程的换热效果，然而会导致压力损失的显著提升，系统整体节能效果不明显。文章所属新型混水器通过设计三维扭曲型叶片流道使冷热水的流动及混合过程局部阻力损失及沿程阻力损失均得到明显改善。基于流动数值模拟技术，文章在对新型混水器的流动换热过程进行详细分析，获得其换热及压损特性。

1 新型混水器结构

图1 新型混水器混热结构示意图

如图1所示为新型混水器换热结构示意图。同轴流道内通过中心隔板的分隔，内外两侧分别为热水及冷水。12个螺旋线型叶片包角为90°可使冷热水沿着旋转流道获得周向速度。叶片末端隔板结束，冷热水开始混合，通过设置两层绕流挡圈进一步使混合水沿径向充分混合，并最终沿底部出口输出。

2 数值计算方法

对于新型混水器内冷热水流动换热过程中的全三维粘性不可压缩定常流动换热过程，其控制方程组可表示为：

采用混合网格方式进行计算域离散，为保证收敛性对进出口区域进行了适当拓展。近壁面区域布置5层边界层网格，并采用连续过渡方式与内部区域网格进行衔接。流动区域内部采用四面体网格，使网格整体具有较好的贴体性，保证网格质量。叶片附近以及曲率变化较大的区域给定较小的网格尺度，并保证中心隔板最狭小处设置4个网格。基于对350万、450万、600万三套网格的数值分析，进出口压损、质量流量、特征截面温度分布等参数的偏差均小于3%，可以认为已得到网格无关解。图2中给出了所采用的450万网格分布图。图2（a）中所示为计算区域总体网格划分情况，绿色虚线部分给出了叶片结构示意，红色区域内部为叶片尾端网格分布情况，其局部剖视放大情况如图2（b）所示。

图2 计算区域网格分布图

计算过程采用标准k-ε湍流模型，并采用标准壁面函数模拟近壁面处流动情况。全场近壁面y+介于30～75之间，由此可见所设置的近壁面网格尺度及壁面函数的选取是可行的。根据实际需要，设定入口冷热水流量，冷热水入口温度分别取5℃、95℃，同时给定一个较高的总压（计算中取0.5MPa，便于获得进出口压损情况）。出口边界条件取出流边界条件。这样的进出口边界条件设置方式有利用计算收敛，又方便根据计算所得的出口总压情况获得流过水嘴的总压损失。采用SIMPLE算法迭代求解控制方程组。计算过程首先采用一阶迎风离散格式进行试算，计算稳定后采用二阶迎风格式继续求解直至获得收敛的解。

3 计算结果分析

图3给出了混水量为20t每小时（设计混水量）的冷热水流线分布情况，且图中流线的颜色反应了流动过程中水的温度变化情况。冷/热水分别沿着渐扩管外侧及内侧流动，在叶片的作用下被分流为12个扁平的流束。图3中可见，在此过程中主要发生的是流动状态的改变，周向速度逐渐加大，冷热水温度并无明显变化。冷热水交汇后，流线沿周向及径向旋转延伸的过程显示出水的温度发生剧烈变化。随着流道渐缩过程，出口附近温度场逐渐均匀。

图3 新型混水器内冷热水流动流线图

图4 出口截面温度分布图

图4中显示混水器出口处水的温度已趋于均匀，出口处温度偏差在1℃内，符合用户端对输出水的温度要求。图5中给出了原始换热结构及新型换热结构的混水器压损随流量变化的曲线。红色原点及黑色方块分别给出了原始换热结构及新型换热结构的混水器压损特性随流量的变化情况。图5中可见，随着流量的增加两种结构的压损都显著增加，新型换热结构压损随流量的变化接近线性，而原始换热结构随流量的增加压损增加幅度不断提升。此外，图5中可见当流量较小时，流量为每小时10t左右，新型换热结构的压损略高于原始换热结构的压损。这是由于小流量下新型换热结构内十二个流道内不能充分充满流体而造成的不稳定流动。

图5 混水器压损随流量变化曲线

4 结论

文章流动数值模拟技术对新型混水器内部流动换热过程进行了全三维数值研究。数值计算结果显示：螺旋线型叶片可使冷热水实现周向旋转并在此过程中充分混合，绕流挡圈的设置进一步增加冷热水沿径向的混合换热，出口温度等温线呈同心圆状自圆心向周边降低，且温差不超过1℃，相比于传统混水器，随着流量增加新型混水器压损特性提升越显著。

［1］刘元芳，李一蒙，王奕麟.混水器混水比对二级网供水温度的影响［J］.低温建筑技术，2014，（9）：32-34.

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［3］田辉，王文成，邹克武，等.一种新型混水器的混水结构［P］.河北：ZL 2016 2 070843.3.

［4］田辉，孙秀玲，郭涛，等.基于遗传算法的离心泵叶片水力性能优化［J］.农业机械学报，2010，（5）.

［5］田辉，郭涛，孙秀玲，等.离心泵内部动静干涉作用的数值模拟［J］.农业机械学报，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。