038 供热系统四通混水器的调节特性研究

1、供热系统四通混水器的调节特性研究哈尔滨工业大学 逄文秀 赵华摘 要 本文研究一种供暖系统用户连接可以双向混水的混水设备-供热系统四通混水器的调节特性。利用数值模拟得到了的四通混水器的调节特性曲线，并提出分水比的概念，用以描述四通混水器的调节特性，实验验证了模拟结果的正确性。该混水器的研发应用，对于实现供水温度分栋可调的供热方式，实现建筑节能，保证供热系统的稳定运行，具有重要的意义。关键词 供水温度 分栋可调 数值模拟 四通混水器 导流板1 引言建筑能耗在国民经济总能耗中占有重大比例，建筑节能越来越受到社会和政府重视。供热系统实现供水温度分栋可调是一种新的节能供热方式。所谓分栋可调就是根据建筑自

2、身的特性对建筑物供暖系统入口处参数的调节，即对不同的建筑给与不同的供热参数从而实现节能。要实现每栋建筑的供水温度分别调节，可以在每栋建筑入口安装混水设备，四通混水器正是为了满足这一调节需要而设计研制。2 研究方法本文采用数值模拟1与实验数据相结合的方式对四通混水器的调节特性进行研究。2.1 模型的建立四通混水器主体为柱型（还有球形2，本文只以柱形为例），内部设有可调节的导流板。四通混水器的双向混水是指热网侧的供水进入筒体后一部分流向用户侧的供水管，另一部分流向热网侧的回水管，与用户侧的部分回水混合，从热网侧的回水管流出；用户侧回水的另一部分流向用户侧的供水管，与热网侧的部分供水混合，通过改变导

3、流板的角度调节混水比使之满足用户需要的温度后，从用户侧的供水管流出。四通混水器的热媒流向示意图如图1所示，四通混水器结构简图如图2所示。 图 1 四通混水器热媒流向示意图 图 2 柱形四通混水器结构简图 2.2 四通混水器的分水比为体现混水器本身的调节特性，现引入分水比3这一概念，作为描述四通混水器调节特性的重要参数。这个指标能够说明混水器的混水效果，四通混水器导流板所处于角度与分水比相关，角度决定分水比。分水比是与热媒流量、温度都无关系的设备固有的特性，类似于管网的阻力特性系数。绘制出分水比随导流板角度变化的特性曲线，它能够表征四通混水器自身特性的曲线，与导流板角度有关，与一级网供水温度tg

4、1和二级网回水温度th2无关。这就为四通混水器应用于热网系统中热网调节涉及到的四通混水器的控制调节问题提供了理论依据。分水比定义为由于导流板分流时，一级网供水量分给二次网的百分比。(1)式中 分水比；一次网流量，；一次网供水量流到二次网的流量，；由能量守恒，推导得到计算公式如下：(2)式中 一次网流量，；二次网流量，；一次网供水温度，；二次网回水温度，；二次网供水温度，；3 模拟和实验结果分析3.1 模型的数值模拟与样品的实验数据的验证分析为了检验模拟结果，以表1中所示尺寸制作了样品并在实验台上进行实验。调节导流板的角度，以水平位置时的角度为0°，设导流板逆时针旋转为正，进行同工况模

5、拟和实验，得到用户侧的供水温度tg2和热网侧的回水温度th1。针对二次网供水温度变化最大的工况，也就是从-45°到45°的工况，得到不同的导流板角度对混水的影响。绘制曲线如图3、图4所示。表1 模拟与实验模型尺寸表编号DLL1L2L3L4L5L6L7de1do1de2do2尺寸（mm）200128483248100100126650505050图 3 实验数据水温曲线图 图 4 模拟数据水温曲线图 由图3至图6可知模拟结果与实验结果吻合的很好。温度差值最大点发生在=0°时，此时模拟得到的一级网回水温度比实验测得的一级网回水温度高1.66；温度差值最小点发生在=-4

6、°时，此时模拟得到的二级网供水温度与实验测得的二级网供水温度相等；一级网回水温度和二级网供水温度各自都吻合很好的点发生在=20°时，此时模拟得到的一级网回水温度比实验测得的一级网回水温度高0.7，模拟得到的二级网供水温度比实验测得的二级网供水温度低0.63。各组数据的一级网回水温度差值过大的，则相应的二级网供水温度差值就小些，从能量守恒的角度考虑，无论是实验和模拟得到这样的数据都是合理且可信的。图 5 水温曲线图 图 6 导流板调节的分水比值 3.2 四通混水器的系列模拟结果在模拟结果与实验结果吻合情况下，证明了模型选择及模拟方案的正确性。本文对多种工况进行模拟分析，得到系

7、列设备本身的特性曲线，来为工程实际提供参考。由于本文中设计的四通混水器采用导流的原理，主要任务是采用合理的结构形式，有效地得到用户侧供水管不同的供水温度，以适应用户调节的需要。故在对四通混水器方案的对比分析中，重点关注模型的出口水温以及导流板的灵敏调节区域，以此作为标准选出适当的结构形式。表2 模型一尺寸表编号DLL1L2L3L4L5L6L7de1do1de2do2尺寸（mm）100128483248100100126650505050表3 模型二尺寸表编号DLL1L2L3L4L5L6L7de1do1de2do2尺寸（mm）150128483248100100126650505050模拟导流板

8、角度从-45°到45°时的混水情况，重点分析导流板在哪些角度范围内对混水的作用调节最敏感，因此，在0°附近区域角度间隔小些，得到数据绘制曲线如图7、图8所示：图7 供回水温度对比曲线 图8 随导流板调节的分水比值由图7和图8可知，在调节过程中，当一级网设计供水温度为90时，模型一能实现的最高的二级网供水温度为89.57，模型二能实现的最高的二级网供水温度为89.50。当导流板在-20°20°左右的范围内调节时，对混水的作用是最敏感的，模型一的导流板调节区域更大些。现分析两模型的分水比，由图8可知两模型的分水比趋势接近，模型一的调节域更宽，调节范

9、围更大，分水比曲线更加平缓。因在-45°-20°范围内，一次网供水不与二次网回水掺混，直接供给二次网供水，因而混水比值为1；在20°45°范围内一次网供水直接流回到一次网回水，此时理论上混水比为0；在-20°20°范围内导流板处于分流区，调节灵敏度高。现针对此区域内混水比情况进行分析。图9模型一分水比曲线图 图10模型二分水比曲线图在导流板在-20°20°的范围内调节绘制分水比曲线如图9和图10所示：可见模型一的调节区域比模型二的调节区域大，且模型一的曲线平缓，分水比随导流板角度变化趋势呈线性。模型一与模型二的结构

10、差别在于柱体的直径，模型一的柱体直径为100mm，比模型二的柱体直径小50mm，而与四个进出口管段的直径50mm更接近，这是导流板调节区域更大的原因，也是调节呈线性的主要原因。从而我们可知，当满足设备强度要求时，尽量减小筒体和接管管段的直径差值，能够增强设备的混水效果和调节作用。4 结论本文对设计的四通混水器模型进行了数值模拟，得到了随导流板角度变化的供回水温度值及相应的分水比特性曲线。并将模拟结果与实验数据进行验证，模拟与实验吻合较好，验证了模型的选择和模拟方法的正确性。利用模拟得到系列的混水器的特性调节曲线，可以为实际工程中的调节提供理论依据。同时，当满足设备强度要求时，尽量减小筒体和接管管段的直径差值，能够增强设备的混水效果和调节作用。参考文献：1 王福军. 计算流体力学动力学分析CFD软件原理与应用. 清华大学出版社. 20042 魏蓓莉. 双向混水器的研究与设计D. 哈尔滨工业大学硕士论文