大氣噴射器是以壓縮空氣作為工作介質(zhì),來(lái)抽吸和壓送氣體(被抽氣體稱為引射介質(zhì)) ,以獲取真空的噴射器。壓縮空氣進(jìn)入噴射器,從拉瓦爾噴嘴中噴射出超聲速氣流,由于氣體的粘性,高速氣流卷吸走吸入室內(nèi)的氣體,從而在吸入室內(nèi)形成真空。大氣噴射器有如下特點(diǎn): ①該噴射器無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,工作不受潤(rùn)滑、振動(dòng)等條件限制。因此,其抽氣能力很大。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作穩(wěn)定可靠,使用壽命長(zhǎng)。只要該噴射器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)選擇適當(dāng),可以很好地抽出含有大量水蒸氣、粉塵、易燃、易爆及有腐蝕性的氣體。③系統(tǒng)無(wú)油污染。④工作壓力范圍較寬,可以根據(jù)需要產(chǎn)生不同壓力的真空。大氣噴射器作為真空發(fā)生裝置被廣泛用于環(huán)衛(wèi)、醫(yī)藥、糧油食品加工、食品包裝等各個(gè)領(lǐng)域中,是一種基礎(chǔ)性單元組件。

1、大氣噴射器的工作原理及真空發(fā)生機(jī)制

1.1、大氣噴射器結(jié)構(gòu)及工作原理

　　大氣噴射器的結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。

圖1 　大氣噴射器的結(jié)構(gòu)圖

1. 拉瓦爾噴嘴　2. 混和室　3. 擴(kuò)壓器　4. 吸入室 A. 工作介質(zhì)入口　B . 引射介質(zhì)入口　C. 混和氣體出口

　　其主要組成為拉瓦爾噴嘴、混和室、擴(kuò)壓器和吸入室。拉瓦爾噴嘴和擴(kuò)壓器這兩個(gè)部件組成了一條斷面變化的特殊氣流管道。壓縮空氣通過(guò)噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能進(jìn)行抽氣,而混合氣流通過(guò)擴(kuò)壓器又將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能從而進(jìn)行排氣。進(jìn)、出口之間的壓力差,使空氣得以在管道中流動(dòng)。

1.2、大氣噴射器的真空發(fā)生機(jī)制

　　噴射器的工作過(guò)程很復(fù)雜,為了便于分析,作如下假設(shè):①壓縮空氣與被抽氣體均為理想氣體。②壓縮空氣與被抽氣體在噴嘴出口到擴(kuò)壓器喉部入口間為等壓混合。③流體在擴(kuò)壓器喉部發(fā)生正激波。④壓縮氣體及被抽氣體在泵內(nèi)的膨脹與壓縮為絕熱過(guò)程。壓縮空氣經(jīng)過(guò)拉瓦爾噴嘴變成超音速氣流而噴射到擴(kuò)壓器的混和室內(nèi)。由于空氣流處于高速,而壓力降低,同時(shí)降溫,使吸入室內(nèi)形成副壓區(qū)。此時(shí),被抽氣體被吸進(jìn)混和室。

　　噴射器內(nèi)壓縮空氣和被抽氣體的壓力p 及速度v 的變化情況如圖2 所示。壓縮空氣進(jìn)入到拉瓦爾噴嘴喉部最小斷面處,其壓力達(dá)到臨界值pK, 此時(shí)空氣流速度達(dá)到音速vK。在拉瓦爾噴嘴的擴(kuò)張段, 速度逐漸上升而壓力繼續(xù)下降。當(dāng)達(dá)到噴嘴出口切面時(shí),速度達(dá)到超音速,壓力為p′0 。壓縮空氣流出噴嘴后,繼續(xù)膨脹到p″0 ,這時(shí)壓縮空氣的壓力才與被抽氣體的壓力相等,即p″0 = p″1 。被抽氣體從p1 到p″1 的壓力差,使被抽氣體得到顯著的加速。

圖2 　壓力和速度變化圖

　　壓縮空氣和被抽氣體兩股氣流在混和室內(nèi)相互混和進(jìn)行動(dòng)量和能量交換,把壓縮空氣由壓力能轉(zhuǎn)變來(lái)的動(dòng)能傳給被抽氣體,從而使壓縮空氣速度v0 逐漸降低,被抽氣體速度v1 逐漸增高,兩者速度逐步接近。最后,在擴(kuò)壓器喉部某處兩者速度達(dá)到一致( v′3) , 并產(chǎn)生正激波。使得混合氣流速度下降,從激波前的超音速v′3 下降到激波后的亞音速v3 ,同時(shí)壓力上升到p3。在某一給定的壓力下,亞音速混和氣流從擴(kuò)壓器喉部流出的瞬時(shí)速度可能再次達(dá)到音速。然后, 混和氣流在擴(kuò)壓器漸擴(kuò)段速度下降,壓力增高,直到擴(kuò)壓器的出口處,混和氣流壓力增至p4,速度降為v4。

2、大氣噴射器的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　噴射系數(shù)u,即引射流體的質(zhì)量流量GH 與工作流體的質(zhì)量流量Gp 之比,是噴射器工作的主要指標(biāo)之一,也是決定噴射器結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。本文結(jié)合一種用于除臭作業(yè)的大氣噴射器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,給出了計(jì)算過(guò)程和結(jié)果。

　　已知:壓縮空氣壓力pp=0.6MPa , pc=0.1MPa , Kp=KH=1.4(空氣絕熱指數(shù)),R=287(氣體常數(shù)),μ=1.5(大氣噴射器常用),tp=tH=27℃,φ1=0.95 ,φ2=0.975,φ3=0.9,φ4=0.925, β=2,α=0.5。

　　設(shè)計(jì)在吸入室產(chǎn)生pH為0. 03MPa真空度的大氣噴射器。

2.1、計(jì)算假設(shè)

　�、偌僭O(shè)工作噴嘴的出口截面和混和室的入口截面重合在一起,如圖3。②假設(shè)在噴嘴出口截面所在平面與漸縮管入口截面之間的那一段上, 工作和引射流體各自流動(dòng)而不混合。

圖3 　大氣噴射器的推導(dǎo)圖

1. 拉瓦爾噴嘴　2. 混和室　3. 擴(kuò)壓器　4. 吸入室

2.2、噴射系數(shù)u 的確定

　　由錐形和圓柱形部分組成的混和室的動(dòng)量方程式可以寫(xiě)成如下形式:

　　式中: K1 =φ1φ2φ3 = 0.834 , K2 =φ2φ3φ4 = 0. 812;φ1 :工作噴嘴的速度系數(shù);φ2 :混和室的速度系數(shù);φ3 :擴(kuò)壓器的速度系數(shù);φ4 :混和室入口段的速度系數(shù);λH2 : 在2 —2 截面上引射流體的折算等熵速度;λC3 : 在3 —3 截面上混和流體的折算等熵速度;λp2 = λpH :在2 —2 截面上工作流體的折算等熵速度。

　　在計(jì)算噴射系數(shù)u 時(shí),要用下面的方法來(lái)計(jì)算, 對(duì)于在λc3小于等于1.0范圍內(nèi)給出一系列λc3值,求得相應(yīng)于它的qc3 值,按式(2) 確定( uΠp)2值,取u=(uΠp)2,并按式(3)確定qH2 值,再根據(jù)式(1)確定u 值。如果根據(jù)式(1) 得到的值u大于( uΠp)2,則取u=(uΠp)2 。

　　當(dāng)根據(jù)式(1)得到u<(uΠp)2時(shí),那么在u<( uΠp)2的范圍內(nèi)給定一個(gè)新的u值,根據(jù)式(3)求得一個(gè)新的qH2值,再根據(jù)式(1)重新確定出一個(gè)u 值,若根據(jù)式(2) 計(jì)算時(shí)采用的u 值與根據(jù)式(1)最后算得的u 值相吻合了,那么計(jì)算到此結(jié)束。