大氣噴射器是以壓縮空氣作為工作介質,來抽吸和壓送氣體(被抽氣體稱為引射介質) ,以獲取真空的噴射器。壓縮空氣進入噴射器,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的氣體,從而在吸入室內形成真空。大氣噴射器有如下特點: ①該噴射器無機械運動部件,工作不受潤滑、振動等條件限制。因此,其抽氣能力很大。②結構簡單,工作穩定可靠,使用壽命長。只要該噴射器的結構、材質選擇適當,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系統無油污染。④工作壓力范圍較寬,可以根據需要產生不同壓力的真空。大氣噴射器作為真空發生裝置被廣泛用于環衛、醫藥、糧油食品加工、食品包裝等各個領域中,是一種基礎性單元組件。

1、大氣噴射器的工作原理及真空發生機制

1.1、大氣噴射器結構及工作原理

　　大氣噴射器的結構,見圖1。

圖1 　大氣噴射器的結構圖

1. 拉瓦爾噴嘴　2. 混和室　3. 擴壓器　4. 吸入室 A. 工作介質入口　B . 引射介質入口　C. 混和氣體出口

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

1.2、大氣噴射器的真空發生機制

　　噴射器的工作過程很復雜,為了便于分析,作如下假設: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壓器喉部入口間為等壓混合。③流體在擴壓器喉部發生正激波。④壓縮氣體及被抽氣體在泵內的膨脹與壓縮為絕熱過程。壓縮空氣經過拉瓦爾噴嘴變成超音速氣流而噴射到擴壓器的混和室內。由于空氣流處于高速,而壓力降低,同時降溫,使吸入室內形成副壓區。此時,被抽氣體被吸進混和室。

　　噴射器內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。壓縮空氣進入到拉瓦爾噴嘴喉部最小斷面處,其壓力達到臨界值pK, 此時空氣流速度達到音速vK。在拉瓦爾噴嘴的擴張段, 速度逐漸上升而壓力繼續下降。當達到噴嘴出口切面時,速度達到超音速,壓力為p′0 。壓縮空氣流出噴嘴后,繼續膨脹到p″0 ,這時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相互混和進行動量和能量交換,把壓縮空氣由壓力能轉變來的動能傳給被抽氣體,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,在擴壓器喉部某處兩者速度達到一致( v′3) , 并產生正激波。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 ,同時壓力上升到p3。在某一給定的壓力下,亞音速混和氣流從擴壓器喉部流出的瞬時速度可能再次達到音速。然后, 混和氣流在擴壓器漸擴段速度下降,壓力增高,直到擴壓器的出口處,混和氣流壓力增至p4,速度降為v4。

2、大氣噴射器的設計計算

　　噴射系數u,即引射流體的質量流量GH 與工作流體的質量流量Gp 之比,是噴射器工作的主要指標之一,也是決定噴射器結構的主要參數。本文結合一種用于除臭作業的大氣噴射器的設計指標要求,給出了計算過程和結果。

　　已知:壓縮空氣壓力pp=0.6MPa , pc=0.1MPa , Kp=KH=1.4(空氣絕熱指數),R=287(氣體常數),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。

　　設計在吸入室產生pH為0. 03MPa真空度的大氣噴射器。

2.1、計算假設

　�、偌僭O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而不混合。

圖3 　大氣噴射器的推導圖

1. 拉瓦爾噴嘴　2. 混和室　3. 擴壓器　4. 吸入室

2.2、噴射系數u 的確定

　　由錐形和圓柱形部分組成的混和室的動量方程式可以寫成如下形式:

　　式中: K1 =φ1φ2φ3 = 0.834 , K2 =φ2φ3φ4 = 0. 812;φ1 :工作噴嘴的速度系數;φ2 :混和室的速度系數;φ3 :擴壓器的速度系數;φ4 :混和室入口段的速度系數;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。

　　在計算噴射系數u 時,要用下面的方法來計算, 對于在λc3小于等于1.0范圍內給出一系列λc3值,求得相應于它的qc3 值,按式(2) 確定( uΠp)2值,取u=(uΠp)2,并按式(3)確定qH2 值,再根據式(1)確定u 值。如果根據式(1) 得到的值u大于( uΠp)2,則取u=(uΠp)2 。

　　當根據式(1)得到u<(uΠp)2時,那么在u<( uΠp)2的范圍內給定一個新的u值,根據式(3)求得一個新的qH2值,再根據式(1)重新確定出一個u 值,若根據式(2) 計算時采用的u 值與根據式(1)最后算得的u 值相吻合了,那么計算到此結束。