基于TRIZ創(chuàng)新理論的新型恒溫混水器結構設計

田 輝，王文成

（承德石油高等?？茖W校 機械工程系，河北 承德 067000）

基于TRIZ創(chuàng)新理論的新型恒溫混水器結構設計

田 輝，王文成

（承德石油高等?？茖W校 機械工程系，河北 承德 067000）

對傳統(tǒng)混水器各組成部分及作用進行功能分析，獲得影響換熱效果及導致壓力損失的環(huán)節(jié)。在此基礎上利用沖突矩陣工具確定解決此問題的發(fā)明原理。通過一定程度上增加葉片數(shù)量以保證冷熱水混合換熱的周期性及連續(xù)性；進一步優(yōu)化曲面型線及葉片數(shù)量使其更符合流動規(guī)律，文章最后獲得了換熱效果及壓損特性良好的新型混水器換熱結構。

恒溫混水器；換熱結構；TRIZ；功能分析；沖突矩陣

混水器是一種根據(jù)用戶需要將定量冷熱水均勻混合而實現(xiàn)恒溫供水的設備。混水器高效混水使水溫調節(jié)時間大大縮短，從而顯著地節(jié)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(jié)時間的縮短使熱能的利用率得到提升。當前應用較廣的三種混水策略包括：①直接將冷熱水通入較大儲箱混合。這種方法結構簡單，然而混合效果與儲箱大小、混合時間直接相關，這就造成這類混合器為了保證供水溫度通常需配備體積較大的儲箱。此外，應用過程由于用水端需求的不同，儲箱內大量熱水的熱量損失會造成能源浪費從而降低其系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。②帶預混合的混水器。這種方法改變冷熱水的注入形式，使其在進入儲箱前起到一定的混合效果。這種結構增加了冷熱水間(預混)對流換熱效果，在一定程度上減小儲箱體積仍能保證較好的混合效果。然而現(xiàn)有預混過程是靠通流面積及流動方向的劇烈變化實現(xiàn)的，此過程伴隨著嚴重的流動損失造成混水器壓力損失增加，同樣降低其運行經(jīng)濟性。③葉片式混水器。這種方法在冷熱水預混的同時可以通過繞流葉片進一步提高冷熱水的混合換熱程度。隨著能源意識的提升，采暖供熱系統(tǒng)、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，研究并開發(fā)高效的混水換熱結構成為提升混水器性能的核心。

文章基于TRIZ創(chuàng)新理論就制約冷熱水混合換熱性能提升的問題進行系統(tǒng)功能分析，并利用沖突矩陣獲得解決問題的策略。在此基礎上，從限制換熱性能提升的混水結構入手設計合理的冷熱水流動及混合形式。

1 系統(tǒng)功能分析

TRIZ理論被普遍認為是一種為創(chuàng)新問題提供解決方案的理論，本部分在系統(tǒng)功能分析的基礎上利用沖突矩陣分析方法為擬解決問題提供有效的解決策略。圖1給出了提升冷熱水混合效果而進行的功能模型圖。

圖1 混水器混水換熱問題功能模型圖

如圖1所示，冷熱水分別在加壓裝置的驅動作用下通過預混管道流經(jīng)繞流葉片進一步混合換熱，最后經(jīng)過緩沖水箱輸出到用戶端。在此過程中還涉及系統(tǒng)內元素閥門，起到調節(jié)冷熱水流量的作用。在此過程中繞流葉片對冷熱水流態(tài)的轉變程度是影響換熱效果的最主要因素，但是隨之而增加的流動損失會加大系統(tǒng)對加壓裝置的能耗需求進而整體上降低混水設備的經(jīng)濟性。

2 確定發(fā)明原理

通過功能分析發(fā)現(xiàn)，繞流葉片對冷熱水的混合換熱作用不充分，與繞流葉片對冷熱水的阻礙作用是一對物理沖突。為了提高混水器換熱系統(tǒng)的繞流葉片對冷熱水的混合換熱效果，需要設計合理的繞流葉片結構，使之充分改變冷熱水的流動狀態(tài)，增加冷熱水的對流換熱效果，但因此會導致系統(tǒng)的流動阻力損失增加，混水器壓力損失提升。根據(jù)TRIZ理論沖突矩陣，解決此問題的過程得到改善的通用工程參數(shù)為（9）流場，而發(fā)生惡化的通用工程參數(shù)為（22）流動過程的能量損失?；跊_突矩陣表可知，解決此類問題應采用的發(fā)明原理為：（14）曲面化、（19）周期性、（20）連續(xù)性及（35）參數(shù)調整。

3 基于發(fā)明原理的高效混水結構設計

鑒于工程中的需要，文章綜合應用上述發(fā)明原理對混水器換熱結構進行設計，力求在保證輸出水溫偏差±1℃范圍內降低混水器進出口的壓力損失?；谏鲜鏊捻棸l(fā)明原理，可將現(xiàn)有繞流直葉片改為曲面；一定程度上增加葉片數(shù)量以保證冷熱水混合換熱的周期性及連續(xù)性；進一步優(yōu)化曲面型線及葉片數(shù)量使其更符合流動規(guī)律。如圖2所示為新型混水器換熱結構示意圖。

圖2 新型混水器混熱結構示意圖

冷熱水在中心隔板作用下分別沿著軸向流入漸擴的換熱區(qū)域，并被12個三維扭曲型葉片分流產生周向旋轉流動。葉片包角為90°，中心隔板結束于葉片末端。冷熱水在經(jīng)過葉片后相互混合，由于周向旋轉及徑向離心運動使得冷熱水充分對流換熱，兩層繞流擋圈的設置進一步促進熱量沿徑向的高效交換，最終達到水的恒溫輸出。

4 結論

文章基于TRIZ理論在對恒溫混水器進行功能分析的基礎上，利用沖突分析及解決理論對恒溫混水器的換熱結構進行了優(yōu)化設計。數(shù)值計算結果顯示新的換熱結構可在保證輸出水溫偏差C范圍內，混水器進出口壓力損失較傳統(tǒng)換熱結構降低約30%。文章研究為提高恒溫混水器的混水效果提供了一種有效途徑。

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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

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

田輝，主要研究方向：機械工程。