基于MATLAB 的除油霧空氣引射器設(shè)計計算

盧大杰 李耀華 錢革蘭 張永生

（阿特拉斯·科普柯（無錫）壓縮機有限公司）

氣體引射器是一種輸送氣體的裝置，通過高壓氣體流經(jīng)引射器噴嘴產(chǎn)生的高速射流去引射另一種低壓氣體。 這種裝置不需要采用任何動力裝置就能夠把主引射流的壓力能轉(zhuǎn)化成動能，具有運行穩(wěn)定、不易損壞、低能耗和靜音的優(yōu)點，近年來逐漸發(fā)展成一種成熟的氣體輸送裝置，在化工、空氣壓縮機、航天航空和制冷行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，學(xué)者們大多主要關(guān)注的是引射器性能方面的 研 究［1～5］，并 未 給 出 具 體 與 全 面 的 設(shè) 計 計 算 方法。

由于阿特拉斯·科普柯（無錫）壓縮機有限公司某項目需要，筆者對除油霧空氣引射器進(jìn)行設(shè)計計算。 此項目的主流氣體和被引射氣體的壓力比（大于1.89）較大，當(dāng)引射器的壓力比較大時，等壓引射器的引射效率較大［1］。雖然Huang B J 等給出了較為精確的等壓引射器性能計算關(guān)系式［2］，但是文獻(xiàn)［1］研究的是引射制冷劑的性能。為此，筆者把這些關(guān)系式處理成適用于除油霧空氣引射器尺寸設(shè)計計算的形式，并給出具體的計算流程，利用MATLAB 軟件計算除油霧空氣引射器的主要結(jié)構(gòu)尺寸，以便于工程技術(shù)人員利用。

1 除油霧空氣引射器設(shè)計計算

等壓混合引射器（圖1）的混合室由收縮段和平直段構(gòu)成。 在收縮段，主流氣體與被引射氣體的混合是等壓混合過程，軸線方向氣流的靜壓保持不變。 在平直段，氣流由超音速變?yōu)閬喴羲伲S線方向的氣壓不斷升高。

圖1 等壓混合引射器結(jié)構(gòu)示意圖

引射器內(nèi)部經(jīng)歷著一系列復(fù)雜的流動與換熱過程，因此需要做一些理想化假設(shè)：

a. 學(xué)者們的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)采用1-D 模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合，因此將引射器模型簡化成1-D 穩(wěn)定流動模型；

b. 將工作氣體視為理想氣體，即流動混合過程中熱物理參數(shù) （如絕熱指數(shù)γ 和定壓比熱容Cp）是恒定的；

c. 忽略主流氣體入口、被引射氣體入口和混合氣體出口處的動能；

d. 氣體在引射器中的流動過程是絕熱的，并且忽略壁面上的摩擦損失；

e. 兩種氣體在y-y 截面才開始混合， 在y-y截面處主流氣體與被引射氣體的壓力是相等的。

1.1 主流氣體流動特性關(guān)系式（從主流氣體進(jìn)口到y(tǒng)-y 截面）

為了便于簡化公式和編程，定義中間參數(shù)a：

對于給定的主流氣體進(jìn)氣壓力pg和進(jìn)氣溫度Tg，通過噴嘴的質(zhì)量流量·mp計算式為：

其中，At是噴嘴喉部面積，ηp是主流氣體流經(jīng)噴嘴的等熵效率。

定義任意處的截面積與喉徑（M=1）處的面積比是馬赫數(shù)的函數(shù)，則有：

噴嘴出口馬赫數(shù)Mp1、噴嘴出口截面積Ap1和噴嘴出口壓力pp1之間有如下近似關(guān)系：

從1-1 截面到y(tǒng)-y 截面，馬赫數(shù)Mpy和Mp1、截面積Apy和Ap1與壓力ppy和pp1之間的關(guān)系可由等熵關(guān)系式表示，即：

其中，φp為等熵效率。

1.2 被引射氣體流動特性關(guān)系式（從被引射氣體進(jìn)口到y(tǒng)-y 截面）

被引射氣體在y-y 截面達(dá)到阻塞狀態(tài)， 此時Msy=1，對于給定的被引射氣體進(jìn)氣壓力pe，有：

在y-y 截面處主流氣體與被引射氣體有相同的壓力，即ppy=psy，則Asy為：

其中， ·ms是被引射氣體的質(zhì)量流量，ηs是被引射氣體的等熵效率。

1.3 混合氣體流動特性關(guān)系式（從y-y 截面到3-3 截面）

3-3截面處的截面積A3等于Apy與Asy之和，即：

在y-y 截面處， 溫度和馬赫數(shù)之間有如下關(guān)系：

主流氣體與被引射氣體在混合過程中（從y-y截面到m-m 截面）遵循動量和能量守恒，即：

其中，φm是混合氣體絕熱效率。 Vpy、Vsy、Vm計算式如下：

混合后的氣體由超音速轉(zhuǎn)變?yōu)閬喴羲伲?在軸線方向會有急劇的壓力升高， 符合動力學(xué)關(guān)系式：

其中，p3是3-3 截面處混合氣體壓力，M3是3-3 截面處混合氣體的馬赫數(shù)。

噴管出口處混合氣體是亞音速，則有：

混合氣體引射器出口馬赫數(shù)Mc、截面積Ac和壓力pc有如下近似關(guān)系：

其中，A3是3-3 截面處的截面積。

噴嘴出口1-1 到混合室平直段入口2-2 的距離通常為喉徑的1.5～1.6 倍。 平直段的長度約為混合室直徑的3～5 倍，考慮到被引射氣體含有油霧，可以把混合室長度選取得長一點。 噴管的半角通常在2～5°。

2 主要結(jié)構(gòu)尺寸計算流程與結(jié)果

根據(jù)上述公式，用MATLAB 軟件進(jìn)行編程計算，給定的初始條件有主流氣體的壓力pg和溫度Tg，被引射氣體的壓力pe和溫度Te，質(zhì)量流量m·s，混合氣體出口背壓pc*。通過計算可以得到喉徑Dt、喉徑出口直徑D1、 混合室直徑D3和引射器出口直徑Dc。 計算流程如圖2 所示。

圖2 等壓混合引射器主要結(jié)構(gòu)尺寸計算流程

除油霧空氣引射器的初始參數(shù)如下：

主流氣體壓力pg6.00bar（A）（1bar=0.1MPa）

主流氣體溫度Tg313K

被引射氣體壓力pe0.84bar（A）

被引射氣體溫度Te313K

被引射氣體質(zhì)量流量m·s0.022kg/s

混合氣體出口背壓pc* 1.163bar（A）

主流氣體介質(zhì) 壓縮空氣

被引射氣體介質(zhì) 油霧空氣

代入上述數(shù)值，計算得到喉徑Dt=6mm，喉徑出口直徑D1=8.8mm， 混合室直徑D3=15.3mm，引射器出口直徑Dc=27.1mm。 根據(jù)計算結(jié)果筆者設(shè)計了一款引射器，其實物如圖3 所示。 經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)該引射器除油霧效果良好。

圖3 引射器實物圖

3 結(jié)束語

用空氣壓縮機上除油霧空氣引射器替代傳統(tǒng)的電動風(fēng)扇除油霧器具有靜音、 節(jié)能的優(yōu)勢。筆者根據(jù)等壓引射器的特性關(guān)系式，給出具體等壓氣體引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法，便于工程技術(shù)人員使用。 經(jīng)測試驗證證明，筆者設(shè)計的引射器尺寸方案可行，后續(xù)需要進(jìn)一步的實驗來驗證不同尺寸方案的優(yōu)劣，以提高引射器的使用性能。