真空发生器的工作原理

　　真空发生器主要由喷嘴和扩张管组合而成(见图1所示)。气体一元定常等熵流动的能量方程即可压缩流体的伯努里方程如下。

　　式中p为压力; Q为密度; v 为流速; k =Cp/Cv, 其中Cp为定压比热, Cv为定容比热,const为常数。

　　将0点的状态参数代入式(1),由于流出喷管时的流速v0为超音速, 可知该点的绝对压力p0值很小, 因而可得到所需的真空度。在低压部S处如果导入二次气流(G″、PS、TS、vs) , 高速的一次气流(G′、Pn、Tn) 将与之混合, 并交换动能, 二次气流被加速,高速的混合气体通过扩张管减速, 动能再次转化为压力能。这样, 若在S处接入欲抽真空的系统, 则可达到抽真空之目的。

图1　真空发生器工作原理图

　　该过程的热力学分析如下: 压缩空气G′通过喷管在0处变成超音速气流, 由于气流的速度很快,而喷管的尺寸很小, 故气体在喷管中流动时, 来不及与外界发生热交换, 可近似地看作绝热过程。在流动过程中, 气体的各种参数一般是连续变化的, 摩擦的影响较小, 可以忽略, 因而可近似地看作是可逆过程, 故该过程可近似地看作是等熵过程。整个热力学过程可用焓—熵状态变化图表示(图2)。图2 中各点符号与图1 相对应。N点为喷管进口状态点;O′为假想等熵过程喷管出口点;O为实际喷管出口状态点; 3′为扩张管假想等熵过程出口状态点; 3为扩张管实际出口状态点。如一次流体从进口压力Pn经绝热膨胀后在喷管出口处压力为P0, 则喷管出口流速v0可由式(2)求出

　　式中Gn为速度系数, 一般取0.94～0.96; R为气体常数, A= k/k-1。图2中喷管两端的焓差为

　　式中　A 为热功当量。

　　假设真空口吸入压力PS与喷管出口压力P0相等, 则混合后的流速v1为

　　式中　Gm为速度系数, 一般取Gm= 0.95～0.98; X=G′/C″ , 其中G′为喷管内的一次流量, G″为真空口处吸入的二次流量; 混合后的焓值i1为

　　扩张管出口处流速为v3, 状态点1至3过程近似可看成绝热过程, 则

　　式中　Gd为扩张管的效率, 一般取Gd= 0.6～0.8;状态点1经等熵过程到达3′点, 对应焓值i3′为

　　通过3′点的等压线P3即为扩张管出口的压力, 实际出口状态点3的焓值为

图2　状态变化图