一种文丘里热平衡系统的制作方法

1.本发明涉及热平衡技术领域，特别涉及一种文丘里热平衡系统。


背景技术：

2.目前在现有供热系统中，水力失调现象极为普遍，从而造成各热用户之间室内温度偏差较大、冷热不均等问题，用户投诉较多，因此，本发明提出一种文丘里热平衡系统，利用文氏管增设进水扬程解决了用户之间冷热不均供热质量差的问题，达到供热系统节能的目的，扩大了供热能力。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种文丘里热平衡系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种文丘里热平衡系统包括：主控制模块、进水管、进水感应模块、进水控制模块、回水感控模块和回水管，所述进水管上安装文氏管，利用所述文氏管增设进水扬程，将水输入用户家中，所述进水感应模块和所述进水控制模块设置在所述进水管上，所述进水感应模块用于获取所述进水管中进入用户家中水的温度，所述进水控制模块用于根据用户的需求进行设置与控制，所述回水感控模块设置在所述回水管上，用于感应获取所述回水管中流出用户家中水的温度和控制所述回水管中水输出的平衡，所述回水管上安装压差控制阀，所述主控制模块根据进水温度和回水温度控制所述压差控制阀。
5.进一步地，所述文氏管安装在含有富余压头的并联环路和最不利环路的回水节点处，安装文氏管进水管包括：各家各户的进水管、单元楼的进水管和热量转换站的进水管。
6.进一步地，所述文氏管包括：喷嘴、引射室、混合室和扩压管，所述喷嘴的出口嵌入在所述引射室内，所述引射室的另一端连接着所述混合室，所述混合室的输出端连接着所述扩压管，当所述进水管中的水流经所述文氏管时，所述引射室内得到低压区域，被引射流体在低压区域的作用下被吸入所述引射室，并在所混合室内与流经的水产生加速和混合后通过所述扩压管将流体当中的动能水头转变为压力能水头输出。
7.进一步地，所述文氏管在增设进水扬程时满足质量守恒、能量守恒和动量定理三大定律，所述质量守恒为混合流体的质量流量等于工作流体的质量流量与引射流体的质量流量之和；所述能量守恒为工作流体提供能量与引射流体得到能量之间的差异即为流经文氏管时的总能量损失；所述动量定理为所述混合室中符合动量定量。
8.进一步地，所述喷嘴的出口在所述混合室内，喷嘴的出口充分扩张后的自由流束截面与混合室的入口相等，所述喷嘴的截面到所述混合室的入口截面的距离根据自由流束的长度和自由流束的直径确定，当混合室直径大于自由流束直径时，所述喷嘴的截面到所述混合室的入口截面的距离即为工作流体自由流束长度，当混合室直径小于自由流束直径时，所述喷嘴的截面到所述混合室的入口截面的距离为工作流体自由流束长度和自由流束
终截面与混合室入口截面间的距离之和，其中，所述自由流束为所述喷嘴中的工作流体。
9.进一步地，所述混合室的长度通常为混合室直径的6—10倍。
10.进一步地，所述扩压管的原理与所述喷嘴的原理正好相反，混合后的流体沿着渐扩喷管将流体当中的压力能水头转变为动能水头，所述扩压管的入口直径为所述混合室的入口截面直径，出口直径与连接的输送管道直径适配，并且所述扩压管具有一定的扩散角度，所述扩压管的长度根据所述混合室的入口截面直径、所述扩压管的出口直径和扩散角度确定，所述扩压管的长度与所述扩散角度以及所述混合室的入口截面直径分别成反比，与所述扩压管的出口直径成正比。
11.进一步地，所述文氏管在进行安装之间根据应用场景进行文氏管模型构建，包括：构建一个的文氏管初始化状态模型；针对应用场景进行分析，获取所述应用场景中参数信息，明确对文氏管的需求，得到文氏管需求信息；根据所述文氏管的需求信息针对所述文氏管初始化状态模型进行参数确定，获取参数的数据，所述参数包括：喷嘴局部阻力系数、吸入环道局部阻力系数、扩压管的局部阻力系数以及工作流体与引射流体的截面积比；根据所述参数的数据分别将所述喷嘴局部阻力系数、吸入环道局部阻力系数以及扩压管的局部阻力系数结合参考资料，将所述工作流体与引射流体的截面积比结合安装节点后对所述文氏管初始化状态模型进行模型求解分析，得到目标文氏管模型，
12.进一步地，所述目标文氏管模型还采用数值模拟进行求解与优化，所述优化包括：结构优化和位置优化，所述结构优化是根据文氏管结构尺寸建立计算模型，并进行网格划分，计算模型及网格划分情况，并针对喷嘴、混合室、扩压管以及引射室和混合室的连接区段进行优化；所述位置优化是在含有富余压头的并联环路和最不利环路的回水节点处结合混合比进行引射扬程分析，根据引射扬程的远近确定安装位置。
13.进一步地，所述数值模拟的过程包括：针对所述目标文氏管模型按照尺寸建立计算模型，并针对所述目标文氏管模型进行网络划分，同时设置边界类型，然后将所述计算模型结合划分网络以及边界类型进行流体动力学模拟仿真求解，通过改变边界条件以及调整模型参数多次重复进行模拟仿真求解，得到模拟仿真求解结果。
14.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
15.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
17.图1为本发明所述的文丘里热平衡系统的一种示意图；
18.图2为本发明所述的文丘里热平衡系统中文氏管的结构示意图；
19.图3为本发明所述的文丘里热平衡系统中自由流束的示意图。
20.图中：1表示主控制模块，2表示进水管，3表示进水感应模块，4表示进水控制模块，5表示回水感控模块，6表示回水管，7表示文氏管，8表示压差控制阀，9表示用户家中。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
22.本发明实施例提供了一种文丘里热平衡系统，如图1所示，文丘里热平衡系统包括：主控制模块、进水管、进水感应模块、进水控制模块、回水感控模块和回水管，所述进水管上安装文氏管，利用所述文氏管增设进水扬程，将水输入用户家中，所述进水感应模块和所述进水控制模块设置在所述进水管上，所述进水感应模块用于获取所述进水管中进入用户家中水的温度，所述进水控制模块用于根据用户的需求进行设置与控制，所述回水感控模块设置在所述回水管上，用于感应获取所述回水管中流出用户家中水的温度和控制所述回水管中水输出的平衡，所述回水管上安装压差控制阀，所述主控制模块根据进水温度和回水温度控制所述压差控制阀。
23.上述技术方案提供了一种文丘里热平衡系统，在文丘里热平衡系统中包括主控制模块、进水管、进水感应模块、进水控制模块、回水感控模块和回水管，进水管连接到用户家中，水流经用户后进入回水管，其中，进水管上安装文氏管，而且在进水管接近用户家中的位置上设置有进水感应模块和进水控制模块，回水管上安装压差控制阀，而且在回水管接近用户家中的位置上设置有回水感控模块，按照进水方向，进水管输送的水经过文氏管增设进水扬程后进入用户家中，然后流经用户后由回水管输出，当进入用户家中时进水控制模块针对进入用户时的需求进行设置与控制，进水感应模块感应进水管中进入用户家中水的温度，得到进水温度，并将进水温度传输至主控制模块，回水感控模块则是控制回水管中水输出的平衡同时感应获取回水管中流出用户家中水的温度，得到回水温度，并将回水温度传输至主控制模块，主控制模块根据回水温度和进水温度控制压差控制阀，调整文丘里热平衡系统的平衡。上述技术方案通过利用文氏管增设进水扬程，既解决了用户之间冷热不均，供热质量差的问题，又达到了供热系统节能的目的，还在原有供热系统的基础上扩大了供热能力，而且通过进水控制模块用户可以根据自己的需求进行设置与调整，方便用户的使用，提高用户的满意度，并且通过进水感应模块、回水感控模块和主控制模块实现了压差控制阀的自动化控制调整，使得文丘里热平衡系统的自动化始终是处于平衡状态的，避免压差导致管道炸裂或者水泄漏，确保了安全性以及减少不必要的损失。
24.本发明提供的一个实施例中，主控制模块根据进水温度和回水温度控制压差控制阀时，进水感应模块和回水感控模块分别传输的进水温度信号和回水温度信号反馈给主控制模块，主控制模块根据进水温度和回水温度结合温度标准调节压差控制阀的流量，从而使得用户能够获取实际所需流量、热量，实现全面水力、热力平衡，而且通过主控制模块还能够使得供热总站获取区域参数，方便供热总站进行分区域管理。
25.本发明提供的一个实施例中，所述文氏管安装在含有富余压头的并联环路和最不利环路的回水节点处，安装文氏管进水管包括：各家各户的进水管、单元楼的进水管和热量转换站的进水管。
26.上述技术方案中的文氏管安装在含有富余压头的并联环路和最不利环路的回水节点处，并且安装文氏管进水管既可以是连接各家各户的进水管，也可以是连接单元楼的进水管或者是热量转换站的进水管等等。上述技术方案通过将文氏管安装在含有富余压头的并联环路和最不利环路的回水节点处使得在最不利环路增加一个引射扬程，减少循环泵
的设计计算扬程，从而降低整个供热系统中的运行能耗，而且文氏管方便安装，只要有富余压头就能够安装，非常方便，此外，无论是用户家还是单元楼、热量转换站还是其他的都能够使其达到大流量、小温差的运行模式，缓解水平失调问题，提高供热质量。
27.本发明提供的一个实施例中，如图2所示，所述文氏管包括：喷嘴、引射室、混合室和扩压管，所述喷嘴的出口嵌入在所述引射室内，所述引射室的另一端连接着所述混合室，所述混合室的输出端连接着所述扩压管，当所述进水管中的水流经所述文氏管时，所述引射室内得到低压区域，被引射流体在低压区域的作用下被吸入所述引射室，并在所混合室内与流经的水产生加速和混合后通过所述扩压管将流体当中的动能水头转变为压力能水头输出。
28.上述技术方案中的文氏管包括：喷嘴、引射室、混合室和扩压管，喷嘴的出口嵌入在引射室内，引射室的另一端连接着混合室，混合室的输出端连接着扩压管，进水管中的水流经文氏管时，在引射室内形成一个低压区域，根据得到低压区域利用压差将被引射流体吸入引射室，并在所混合室内与流经的工作流体产生剧烈的加速和混合，同时伴有质量和能量的交换，最终以相同的速度将混合后混合流体通过扩压管将流体当中的动能水头转变为压力能水头输出。其中，工作流体即为进水管中传输的水。上述技术方案通过喷嘴、引射室、混合室和扩压管使得工作流体具有更高的能量，从而增大引射扬程，使得扩压管输出之后进入到用户家中形成大流量小温差的模式，使得用户家中能够均衡供热，提高供热品质，此外，在混合室中，通过将工作流体与引射流体掺混进行能量交换，使得具有更好的能量，进而可以使得扩压管引射扬程更远。
29.本发明提供的一个实施例中，所述文氏管在增设进水扬程时满足质量守恒、能量守恒和动量定理三大定律，所述质量守恒为混合流体的质量流量等于工作流体的质量流量与引射流体的质量流量之和；所述能量守恒为工作流体提供能量与引射流体得到能量之间的差异即为流经文氏管时的总能量损失；所述动量定理为所述混合室中符合动量定量。
30.上述技术方案中所述文氏管在增设进水扬程时满足质量守恒、能量守恒和动量定理三大定律，其中，质量守恒为混合流体的质量流量等于工作流体的质量流量与引射流体的质量流量之和，即：
31.g2＝g1+g332.其中，g2为混合流体的质量流量，g1为工作流体的质量流量，g3为引射流体的质量流量。
33.能量守恒为工作流体提供能量与引射流体得到能量之间的差异即为流经文氏管时的总能量损失，即：
[0034][0035]
其中，ej为工作流体提供能量，es为引射流体得到能量，为流经文氏管时的总能量损失，具体表示为：
[0036][0037]
上述公式中，l为混合能量损失，
[0038]
其中，ρ为水的密度，g1为工作流体的质量流量，g3为引射流体的质量流量，v1为工
作流体通过喷嘴时的流速，v2为混合室输出的混合流体的流速，v3为工作流体进入引射室的流速；
[0039]
e1为工作流体通过喷嘴的能量损耗，
[0040]
其中，为工作流体通过喷嘴的阻力系数；
[0041]
e2为输出混合流体的能量损失，
[0042]
其中，为工作流体通过混合室的阻力系数，g2为混合流体的质量流量；
[0043]
e3为流经扩压管的能量损失，
[0044]
其中，为工作流体通过扩压管的阻力系数，包括混合室与扩压管之间连接的喉管的阻力系数和扩压管的阻力系数。
[0045]
混合室中符合动量定量，即：
[0046][0047]
上述公式中，v1为工作流体通过喷嘴时的流速，u为混水比，v3为工作流体进入引射室的流速，v2为混合室输出的混合流体的流速，pc为喉管出口压力，p
λ
为混合室与扩压管之间连接的喉管的进口压力，fh为混合室与扩压管之间连接的喉管的断面面积，g1为工作流体的质量流量。
[0048]
本发明提供的一个实施例中，所述喷嘴的出口在所述混合室内，喷嘴的出口充分扩张后的自由流束截面与混合室的入口相等，所述喷嘴的截面到所述混合室的入口截面的距离根据自由流束的长度和自由流束的直径确定，当混合室直径大于自由流束直径时，所述喷嘴的截面到所述混合室的入口截面的距离即为工作流体自由流束长度，当混合室直径小于自由流束直径时，所述喷嘴的截面到所述混合室的入口截面的距离为工作流体自由流束长度和自由流束终截面与混合室入口截面间的距离之和，其中，所述自由流束为所述喷嘴中的工作流体。
[0049]
上述技术方案中，喷嘴的出口在混合室内，喷嘴的出口充分扩张后的自由流束截面与混合室的入口相等，喷嘴的长度l
p
通过如下公式确定：
[0050][0051]
其中，d0为喷嘴的入口截面直径，d
p
为喷嘴出口截面直径，α为喷嘴的锥形角；
[0052]
喷嘴的截面到混合室的入口截面的距离根据自由流束的长度和自由流束的直径确定，为寻找最适宜的喉嘴距离，首先要确定自由流束的长度和自由流束的直径，
[0053]
当混水比u≤0.5时，工作流体自由流束长度lz为：
[0054][0055]
工作流体自由流束直径dz为：
[0056][0057]
当混水比u》0.5时，工作流体自由流束长度lz为：
[0058][0059]
工作流体自由流束直径dz为：
[0060]dz
＝1.55d
p
(1+u)
[0061]
其中，a为实验常数，根据实验经验确定的，文氏管中一般取0.16；d
p
为喷嘴的出口截面直径，在这里，g1为工作流体的质量流量，v1为工作流体通过喷嘴时的流速，v为文氏管内流体比容。
[0062]
然后根据自由流束的长度和自由流束的直径结合混合室直径确定喷嘴的截面到混合室的入口截面的距离，当混合室直径大于自由流束直径时，喷嘴的截面到混合室的入口截面的距离lc即为工作流体自由流束长度，即
[0063]
lc＝lz[0064]
当混合室直径小于自由流束直径时，喷嘴的截面到混合室的入口截面的距离为工作流体自由流束长度和自由流束终截面与混合室入口截面间的距离之和，即：
[0065][0066]
其中，dz为自由流束直径，dh为混合室的入口截面直径，引射室截面至混合室截面的收缩角度，一般取45
°
。
[0067]
在这里，自由流束为喷嘴中的工作流体，如图3所示，当工作流体从喷嘴出口流出时，由于要带动周边引射流体流动，其边缘流体流速也逐渐降低，当这种趋势蔓延至流束中心时，即中心速度不变的区域截面变为零时的流束截面叫做过渡截面。将喉嘴间的工作流体叫做自由流束。
[0068]
上述技术方案通过喷嘴的出口充分扩张后的自由流束截面与混合室的入口相等确保了喷嘴的截面到混合室的入口截面的距离的最适距离，使得在文氏管中能够更好地设计喷嘴的大小与位置，而且通常在引射室与混合室连接处入采用45
°
锥形角可以减少流体局部阻力损失，从而提高文氏管的引射效率。
[0069]
本发明提供的一个实施例中，所述混合室的长度通常为混合室直径的6—10倍。
[0070]
上述技术方案中混合室的长度通常为混合室直径的6—10倍，即：
[0071][0072]
其中，τ为系数，取值范围为6-10，dh为混合室的入口截面直径，g3为引射流体的质量流量，v3为工作流体进入引射室的流速，v为文氏管内流体比容，f
p
为喷嘴断面面积。
[0073]
上述技术方案通过将混合室的长度通常取为混合室直径的6—10倍，使得混合室的大小在合适范围内，在减少成本消耗的同时使得混合效率更高。
[0074]
本发明提供的一个实施例中，所述扩压管的原理与所述喷嘴的原理正好相反，混合后的流体沿着渐扩喷管将流体当中的压力能水头转变为动能水头，所述扩压管的入口直径为所述混合室的入口截面直径，出口直径与连接的输送管道直径适配，并且所述扩压管具有一定的扩散角度，所述扩压管的长度根据所述混合室的入口截面直径、所述扩压管的出口直径和扩散角度确定，所述扩压管的长度与所述扩散角度以及所述混合室的入口截面直径分别成反比，与所述扩压管的出口直径成正比。
[0075]
上述技术方案中的扩压管的原理与喷嘴的原理正好相反，混合后的流体沿着渐扩喷管将流体当中的压力能水头转变为动能水头，扩压管的入口直径为混合室的入口截面直径，出口直径与连接的输送管道直径适配，并且扩压管具有一定的扩散角度，扩压管的长度根据混合室的入口截面直径、扩压管的出口直径和扩散角度确定，扩压管的长度与扩散角度以及混合室的入口截面直径分别成反比，与扩压管的出口直径成正比，即：
[0076][0077]
其中，lk为扩散管的长度，dk为连接的输送管道直径，dh为混合室的入口截面直径，θ为扩散管的扩散角，一般取8
°
—10
°
。
[0078]
上述技术方案通过合适的扩压管的扩散角度避免在较大扩散角度下流体在扩散过程中产生速度分离，从而加大扩散管部分的局部阻力损失，通过出口直径与连接的输送管道直径适配使得形成一个闭环，避免出现泄漏现象，减少能量损失，确保了热量均衡。
[0079]
本发明提供的一个实施例中，所述文氏管在进行安装之间根据应用场景进行文氏管模型构建，包括：构建一个的文氏管初始化状态模型；针对应用场景进行分析，获取所述应用场景中参数信息，明确对文氏管的需求，得到文氏管需求信息；根据所述文氏管的需求信息针对所述文氏管初始化状态模型进行参数确定，获取参数的数据，所述参数包括：喷嘴局部阻力系数、吸入环道局部阻力系数、扩压管的局部阻力系数以及工作流体与引射流体的截面积比；根据所述参数的数据分别将所述喷嘴局部阻力系数、吸入环道局部阻力系数以及扩压管的局部阻力系数结合参考资料，将所述工作流体与引射流体的截面积比结合安装节点后对所述文氏管初始化状态模型进行模型求解分析，得到目标文氏管模型，
[0080]
上述技术方案在文氏管在进行安装之间根据应用场景进行文氏管模型构建，包括：构建一个的文氏管初始化状态模型；针对应用场景进行分析，获取应用场景中参数信息，明确对文氏管的需求，得到文氏管需求信息；根据文氏管的需求信息针对文氏管初始化状态模型进行参数确定，获取参数的数据，参数包括：喷嘴局部阻力系数、吸入环道局部阻力系数、扩压管的局部阻力系数以及工作流体与引射流体的截面积比；根据参数的数据分别将喷嘴局部阻力系数、吸入环道局部阻力系数以及扩压管的局部阻力系数结合参考资料，将工作流体与引射流体的截面积比结合安装节点后对文氏管初始化状态模型进行模型求解分析，得到目标文氏管模型，
[0081]
本发明提供的一个实施例中，所述目标文氏管模型还采用数值模拟进行求解与优化，所述优化包括：结构优化和位置优化，所述结构优化是根据文氏管结构尺寸建立计算模型，并进行网格划分，计算模型及网格划分情况，并针对喷嘴、混合室、扩压管以及引射室和
混合室的连接区段进行优化；所述位置优化是在含有富余压头的并联环路和最不利环路的回水节点处结合混合比进行引射扬程分析，根据引射扬程的远近确定安装位置。
[0082]
上述技术方案中的目标文氏管模型还采用数值模拟进行求解与优化，优化包括：结构优化和位置优化，结构优化是根据文氏管结构尺寸建立计算模型，并进行网格划分，计算模型及网格划分情况，并针对喷嘴、混合室、扩压管以及引射室和混合室的连接区段进行优化；位置优化是在含有富余压头的并联环路和最不利环路的回水节点处结合混合比进行引射扬程分析，根据引射扬程的远近确定安装位置。
[0083]
上述技术方案通过结构优化使得文氏管模型中喷嘴、混合室、扩压管以及引射室的大小以及布局更加合理化，在保障功能需求的同时降低成本消耗，对引射室和混合室的连接区段进行优化，更改半球式连接方式为渐缩式连接方式，从而对引射流体增加导向作用，此外还可以将喷嘴末端材料更换为金属强度更大更光滑的材质，减小喷嘴末端管壁厚度，提高流体混合时的导向能力，通过位置优化使得安装文氏管的热平衡系统能够更好实现均衡供热，提高供热效率，使得连接的各家各户、单元楼或者热量转换站都能够均衡供热，避免热量供应不均衡现象，提高供热品质。
[0084]
本发明提供的一个实施例中，所述数值模拟的过程包括：针对所述目标文氏管模型按照尺寸建立计算模型，并针对所述目标文氏管模型进行网络划分，同时设置边界类型，然后将所述计算模型结合划分网络以及边界类型进行流体动力学模拟仿真求解，通过改变边界条件以及调整模型参数多次重复进行模拟仿真求解，得到模拟仿真求解结果。
[0085]
上述技术方案中在进行数值模拟时，首先针对目标文氏管模型按照尺寸建立计算模型，得到计算模型，然后针对目标文氏管模型进行网络划分，喷嘴、混合室和扩压管采用结构化网格，引射室采用非结构化网格划分方式，接着设置边界类型，然后再将计算模型结合划分网络以及边界类型导入到cfd(computational fluid dynamics(计算流体动力学))中进行流体动力学模拟仿真求解，获取输出结果，而且通过改变边界条件以及调整模型参数多次重复进行模拟仿真求解，得到模拟仿真求解结果。
[0086]
上述技术方案通过将计算模型结合划分网络以及边界类型导入到cfd中进行流体动力学模拟仿真求解实现了对目标文氏管模型的自动化虚拟模拟，使得获取更多的仿真数据，为文氏管的改进提供依据，进而使得文氏管的设计更加合理以及安装位置更加合理，减少成本的消耗，同时提供热平衡系统的供热品质。
[0087]
本领域技术人员应当理解的是，本发明中的第一、第二仅仅指的是不同应用阶段而已。
[0088]
本领域技术客户员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0089]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。