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真空發(fā)生器主要由噴嘴和擴張管組合而成(見(jiàn)圖1所示)。氣體一元定常等熵流動(dòng)的能量方程即可壓縮流體的伯努里方程如下。

　　式中p為壓力; Q為密度; v 為流速; k =Cp/Cv, 其中Cp為定壓比熱, Cv為定容比熱,const為常數。

　　將0點(diǎn)的狀態(tài)參數代入式(1),由于流出噴管時(shí)的流速v0為超音速, 可知該點(diǎn)的絕對壓力p0值很小, 因而可得到所需的真空度。在低壓部S處如果導入二次氣流(G″、PS、TS、vs) , 高速的一次氣流(G′、Pn、Tn) 將與之混合, 并交換動(dòng)能, 二次氣流被加速,高速的混合氣體通過(guò)擴張管減速, 動(dòng)能再次轉化為壓力能。這樣, 若在S處接入欲抽真空的系統, 則可達到抽真空之目的。

圖1　真空發(fā)生器工作原理圖

　　該過(guò)程的熱力學(xué)分析如下: 壓縮空氣G′通過(guò)噴管在0處變成超音速氣流, 由于氣流的速度很快,而噴管的尺寸很小, 故氣體在噴管中流動(dòng)時(shí), 來(lái)不及與外界發(fā)生熱交換, 可近似地看作絕熱過(guò)程。在流動(dòng)過(guò)程中, 氣體的各種參數一般是連續變化的, 摩擦的影響較小, 可以忽略, 因而可近似地看作是可逆過(guò)程, 故該過(guò)程可近似地看作是等熵過(guò)程。整個(gè)熱力學(xué)過(guò)程可用焓—熵狀態(tài)變化圖表示(圖2)。圖2 中各點(diǎn)符號與圖1 相對應。N點(diǎn)為噴管進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn);O′為假想等熵過(guò)程噴管出口點(diǎn);O為實(shí)際噴管出口狀態(tài)點(diǎn); 3′為擴張管假想等熵過(guò)程出口狀態(tài)點(diǎn); 3為擴張管實(shí)際出口狀態(tài)點(diǎn)。如一次流體從進(jìn)口壓力Pn經(jīng)絕熱膨脹后在噴管出口處壓力為P0, 則噴管出口流速v0可由式(2)求出

　　式中Gn為速度系數, 一般取0.94～0.96; R為氣體常數, A= k/k-1。圖2中噴管兩端的焓差為

　　式中　A 為熱功當量。

　　假設真空口吸入壓力PS與噴管出口壓力P0相等, 則混合后的流速v1為

　　式中　Gm為速度系數, 一般取Gm= 0.95～0.98; X=G′/C″ , 其中G′為噴管內的一次流量, G″為真空口處吸入的二次流量; 混合后的焓值i1為

　　擴張管出口處流速為v3, 狀態(tài)點(diǎn)1至3過(guò)程近似可看成絕熱過(guò)程, 則

　　式中　Gd為擴張管的效率, 一般取Gd= 0.6～0.8;狀態(tài)點(diǎn)1經(jīng)等熵過(guò)程到達3′點(diǎn), 對應焓值i3′為

　　通過(guò)3′點(diǎn)的等壓線(xiàn)P3即為擴張管出口的壓力, 實(shí)際出口狀態(tài)點(diǎn)3的焓值為

圖2　狀態(tài)變化圖