大气喷射器的真空发生机制及其主要参数的设计

水蒸气喷射泵 滕红华 华中科技大学土木工程与力学学院

　　大气喷射器是以压缩空气作为工作介质,来抽吸和压送气体(被抽气体称为引射介质) ,以获取真空的喷射器。压缩空气进入喷射器,从拉瓦尔喷嘴中喷射出超声速气流,由于气体的粘性,高速气流卷吸走吸入室内的气体,从而在吸入室内形成真空。大气喷射器有如下特点: ①该喷射器无机械运动部件,工作不受润滑、振动等条件限制。因此,其抽气能力很大。②结构简单,工作稳定可靠,使用寿命长。只要该喷射器的结构、材质选择适当,可以很好地抽出含有大量水蒸气、粉尘、易燃、易爆及有腐蚀性的气体。③系统无油污染。④工作压力范围较宽,可以根据需要产生不同压力的真空。大气喷射器作为真空发生装置被广泛用于环卫、医药、粮油食品加工、食品包装等各个领域中,是一种基础性单元组件。

1、大气喷射器的工作原理及真空发生机制

1.1、大气喷射器结构及工作原理

　　大气喷射器的结构,见图1。

大气喷射器的结构图

图1 　大气喷射器的结构图

1. 拉瓦尔喷嘴　2. 混和室　3. 扩压器　4. 吸入室 A. 工作介质入口　B . 引射介质入口　C. 混和气体出口

　　其主要组成为拉瓦尔喷嘴、混和室、扩压器和吸入室。拉瓦尔喷嘴和扩压器这两个部件组成了一条断面变化的特殊气流管道。压缩空气通过喷嘴将压力能转变成动能进行抽气,而混合气流通过扩压器又将动能转变成压力能从而进行排气。进、出口之间的压力差,使空气得以在管道中流动。

1.2、大气喷射器的真空发生机制

　　喷射器的工作过程很复杂,为了便于分析,作如下假设:①压缩空气与被抽气体均为理想气体。②压缩空气与被抽气体在喷嘴出口到扩压器喉部入口间为等压混合。③流体在扩压器喉部发生正激波。④压缩气体及被抽气体在泵内的膨胀与压缩为绝热过程。压缩空气经过拉瓦尔喷嘴变成超音速气流而喷射到扩压器的混和室内。由于空气流处于高速,而压力降低,同时降温,使吸入室内形成副压区。此时,被抽气体被吸进混和室。

　　喷射器内压缩空气和被抽气体的压力p 及速度v 的变化情况如图2 所示。压缩空气进入到拉瓦尔喷嘴喉部最小断面处,其压力达到临界值pK, 此时空气流速度达到音速vK。在拉瓦尔喷嘴的扩张段, 速度逐渐上升而压力继续下降。当达到喷嘴出口切面时,速度达到超音速,压力为p′0 。压缩空气流出喷嘴后,继续膨胀到p″0 ,这时压缩空气的压力才与被抽气体的压力相等,即p″0 = p″1 。被抽气体从p1 到p″1 的压力差,使被抽气体得到显著的加速。

压力和速度变化图

图2 　压力和速度变化图

　　压缩空气和被抽气体两股气流在混和室内相互混和进行动量和能量交换,把压缩空气由压力能转变来的动能传给被抽气体,从而使压缩空气速度v0 逐渐降低,被抽气体速度v1 逐渐增高,两者速度逐步接近。最后,在扩压器喉部某处两者速度达到一致( v′3) , 并产生正激波。使得混合气流速度下降,从激波前的超音速v′3 下降到激波后的亚音速v3 ,同时压力上升到p3。在某一给定的压力下,亚音速混和气流从扩压器喉部流出的瞬时速度可能再次达到音速。然后, 混和气流在扩压器渐扩段速度下降,压力增高,直到扩压器的出口处,混和气流压力增至p4,速度降为v4。

2、大气喷射器的设计计算

　　喷射系数u,即引射流体的质量流量GH 与工作流体的质量流量Gp 之比,是喷射器工作的主要指标之一,也是决定喷射器结构的主要参数。本文结合一种用于除臭作业的大气喷射器的设计指标要求,给出了计算过程和结果。

　　已知:压缩空气压力pp=0.6MPa , pc=0.1MPa , Kp=KH=1.4(空气绝热指数),R=287(气体常数),μ=1.5(大气喷射器常用),tp=tH=27℃,φ1=0.95 ,φ2=0.975,φ3=0.9,φ4=0.925, β=2,α=0.5。

　　设计在吸入室产生pH为0. 03MPa真空度的大气喷射器。

2.1、计算假设

　　①假设工作喷嘴的出口截面和混和室的入口截面重合在一起,如图3。②假设在喷嘴出口截面所在平面与渐缩管入口截面之间的那一段上, 工作和引射流体各自流动而不混合。

大气喷射器的推导图

图3 　大气喷射器的推导图

1. 拉瓦尔喷嘴　2. 混和室　3. 扩压器　4. 吸入室

2.2、喷射系数u 的确定

　　由锥形和圆柱形部分组成的混和室的动量方程式可以写成如下形式:

　　式中: K1 =φ1φ2φ3 = 0.834 , K2 =φ2φ3φ4 = 0. 812;φ1 :工作喷嘴的速度系数;φ2 :混和室的速度系数;φ3 :扩压器的速度系数;φ4 :混和室入口段的速度系数;λH2 : 在2 —2 截面上引射流体的折算等熵速度;λC3 : 在3 —3 截面上混和流体的折算等熵速度;λp2 = λpH :在2 —2 截面上工作流体的折算等熵速度。

　　在计算喷射系数u 时,要用下面的方法来计算, 对于在λc3小于等于1.0范围内给出一系列λc3值,求得相应于它的qc3 值,按式(2) 确定( uΠp)2值,取u=(uΠp)2,并按式(3)确定qH2 值,再根据式(1)确定u 值。如果根据式(1) 得到的值u大于( uΠp)2,则取u=(uΠp)2 。

　　当根据式(1)得到u<(uΠp)2时,那么在u<( uΠp)2的范围内给定一个新的u值,根据式(3)求得一个新的qH2值,再根据式(1)重新确定出一个u 值,若根据式(2) 计算时采用的u 值与根据式(1)最后算得的u 值相吻合了,那么计算到此结束。