矿井空气流动基本理论

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1、第 二 章 矿 井 空 气 流 动 基 本 理 论第 四 章 通 风 动 力 通 风 安 全 学 第 二 章 矿 井 空 气 流 动 基 本 理 论河 南 工 程 学 院安 全 工 程 学 院 1.主 要 内 容 矿 井 空 气 成 分 ， 矿 井 空 气 中 主 要 成 分 的 质 量 （ 浓 度 ） 标 准 、 矿 井中 有 毒 、 有 害 气 体 的 基 本 性 质 和 危 害 性 及 安 全 浓 度 标 准 。 矿 井 气 候条 件 平 衡 量 指 标 （ 干 球 温 度 、 湿 球 温 度 、 等 效 温 度 、 同 感 温 度 、 卡他 度 ） 。2.解 决 的 实 际 问 题 （

2、 1） 要 保 证 作 业 人 员 健 康 ， 井 下 空 气 质 量 和 数 量 的 最 低 要 求 ； （ 2） 矿 井 空 气 中 氧 气 （ O 2） ， 二 氧 化 碳 （ CO2） 的 浓 度 要 求 ； （ 3） 各 种 有 害 气 体 的 危 害 性 与 最 高 允 许 浓 度 标 准 ； （ 4） 矿 井 气 候 条 件 衡 量 方 法 与 指 标 ， 保 证 有 一 个 舒 适 的 作 业 环 境 。 上 一 章 内 容 回 顾 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程第 四

3、节 能 量 方 程 在 矿 井 通 风 中 的 应 用本 章 主 要 内 容 重 点 ： 空 气 的 物 理 参 数 -T、 P、 、 、 ； 风 流 的 能 量 与 点 压 力 -静 压 ， 静 压 能 ； 动 压 、 动 能 ； 位能 ； 全 压 ； 抽 出 式 和 压 入 式 相 对 静 压 、 相 对 全 压 与 动 压 的关 系 ； 能 量 方 程 -连 续 性 方 程 、 单 位 质 量 能 量 方 程 、 单 位 体 积能 量 方 程 ； 能 量 方 程 在 矿 井 中 的 应 用 -边 界 条 件 、 压 力 坡 度 图 。难 点 ： 点 压 力 之 间 的 关 系 能 量 方

4、 程 及 其 在 矿 井 中 的 应 用本 章 重 点 难 点 1、 一 年 中 冬 季 还 是 夏 季 大 气 压 力 大 ？ 一 天 中 那 个 时 间 大 气 压 力 最小 ？2、 温 度 与 压 力 相 同 时 ， 干 空 气 密 度 大 还 是 湿 空 气 密 度 大 ？3、 为 什 么 位 能 不 能 用 仪 表 直 接 测 量 ？4、 测 定 风 流 点 压 力 时 ， 水 柱 计 放 置 位 置 对 测 值 有 影 响 吗 ？5、 为 什 么 会 在 正 压 通 风 会 出 现 相 对 静 压 为 负 值 的 区 段 ？6、 风 机 全 压 主 要 是 来 克 服 哪 些 能

5、量 的 ？7、 为 什 么 抽 出 式 风 机 要 加 扩 展 器 ？ 思 考 题 矿 井 空 气 沿 井 巷 流 动 过 程 中 宏 观 力 学 参 数 的 变 化 规 律以 及 能 量 的 转 换 关 系 。 介 绍 空 气 的 主 要 物 理 参 数 、 性 质 ， 讨 论 空 气 在 流 动 过程 中 所 具 有 的 能 量 （ 压 力 ） 及 其 能 量 的 变 化 。 根 据 热 力 学 第 一 定 律 和 能 量 守 恒 及 转 换 定 律 ， 结 合 矿井 风 流 流 动 的 特 点 ， 推 导 了 矿 井 空 气 流 动 过 程 中 的 能量 方 程 。 能 量 方 程 在

6、矿 井 通 风 中 的 应 用 。 需 掌 握 知 识 点 一 、 温 度 温 度 是 描 述 物 体 冷 热 状 态 的 物 理 量 。 测 量 温 度 的 标 尺 简 称 温 标 。 矿 井 表示 气 候 条 件 的 主 要 参 数 之 一 。 国 际 单 位 为 ： 热 力 学 温 标 ， 其 单 位 为 K(kelvin),用 符 号 T来 表 示 ， 单 位 为K， 热 力 学 温 标 规 定 纯 水 三 相 态 点 温 度 （ 气 、 液 、 固 三 相 平 衡 态 时 的 温 度 ） 为基 本 定 点 ， 定 义 为 273.15K。 常 用 的 摄 氏 温 标 为 实 用 温

7、标 ， 用 符 号 t表 示 ， 单 位 为 摄 氏 度 。 摄 氏 温 标 的 每 1 与 热 力 学 温 标 的 每 1K完 全 相 同 ， 它 们 之 间 的 关 系 为 ：T=273.15+t 温 度 是 矿 井 表 征 气 候 条 件 的 主 要 参 数 ， 规 程 规 定 ： 生 产 矿 井 采 掘 工作 面 的 空 气 温 度 不 得 超 过 26 ， 机 电 硐 室 的 空 气 温 度 不 得 超 过 30 。 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 二 、 压 力 （ 压 强 ） 在 矿 井 通 风 学 中 ， 习 惯 把 压 强 称 为 压 力 。 大 气 压 力

8、： 地 球 表 面 一 层 很 厚 的 空 气 层 对 地 面 所 形 成 的 压 力 。 其 大 小取 决 于 重 力 场 中 位 置 （ 相 对 高 度 ） ， 空 气 相 对 温 度 、 湿 度 （ 相 对 湿 度 ） 和气 体 成 分 等 参 数 。 空 气 的 压 力 也 称 为 空 气 的 静 压 ， 用 符 号 P表 示 。 它 是 空 气 分 子 热 运 动 对器 壁 碰 撞 的 宏 观 表 现 。 计 算 公 式 为 ： P=2/3n(1/2mv2) 气 体 的 静 压 力 是 单 位 体 积 内 气 体 分 子 不 规 则 热 运 动 总 动 能 的 2/3转 化 为能 对

9、 外 做 功 的 机 械 能 的 宏 观 表 现 ， 故 压 力 的 大 小 表 示 单 位 体 积 气 体 的 压 能的 数 量 ， 这 是 气 体 所 具 有 的 普 遍 的 物 理 性 质 ， 其 大 小 可 以 用 仪 器 来 测 量 ，空 盒 气 压 计 、 水 银 气 压 计 、 水 柱 计 、 精 密 气 压 计 等 可 以 用 来 测 量 压 力 。第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 由 于 重 力 的 影 响 ， 空 气 的 密 度 与 压 力 均 随 着 离 地 表 的 高 度 而 减 小 。 大 气层 的 存 在 和 大 气 压 力 随 高 度 而 变 化 的

10、 规 律 是 分 子 热 运 动 和 地 球 引 力 作 用 两 者协 调 的 结 果 。在 物 理 学 中 ， 单 位 体 积 气 体 的 分 子 数 n， 在 重 力 场 中 随 高 度 分 布 的 规 律用 波 尔 兹 曼 公 式 表 示 ：no-海 平 面 （ z=o） 单 位 体 积 的 分 子 数 ； -空 气 的 摩 尔 质 量 ， 28.97kg/kmol；Z-海 拔 高 度 ， m；T-空 气 温 度 ， T=273.15+t， K；g-重 力 加 速 度 ， 9.80665m/s 2；RO-通 用 气 体 常 数 （ 摩 尔 气 体 恒 量 ） ， 8.314 J/(mol

11、K)；exp( )o ogzn n R T 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 大 气 压 力 随 高 度 的 变 化 规 律 如 下 exp( )O OgzP P R T 不 同 标 高 处 的 空 气 压 力 比 值 标 高 z/m +1000 0 -1000p/po 0.888 1.0 1.126 实 际 上 各 地 的 大 气 压 力 还 和 地 表 气 象 因 素 有 关 ， 一 年 四 季 ， 甚 至一 昼 夜 内 都 有 明 显 的 变 化 。 例 如 ： 淮 南 一 昼 夜 内 气 压 变 化 一 般 为 270400Pa有 时 可 达 1300Pa， 一 年 中

12、大 气 压 变 化 可 高 达 4000 5300Pa。 一 般 来 讲 ， 在 同 一 水 平 面 ， 不 大 的 范 围 内 ， 可 以 认 为 空 气 压 力 是相 同 的 。 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 矿 井 常 用 压 强 单 位 ： Pa(帕 斯 卡 )、 Mpa(兆 帕 )、 mmHg(毫 米 汞柱 )、 mmH20(毫 米 水 柱 )、 bar(巴 )、 atm(标 准 大 气 压 ) 等 。 换 算 关 系 ： 1atm =760mmHg=1.01325bar=101325Pa 1mmHg = 13.595mmH20 = 133.32 Pa 1mmH20

13、 = 9.81 Pa具 体 可 以 参 考 教 材 P396附 录 一第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 三 、 湿 度 表 示 空 气 中 所 含 水 蒸 汽 量 的 多 少 或 潮 湿 程 度 。 空 气 湿 度 的 表 示 方 法 ： 绝 对 湿 度 、 相 对 温 度 和 含 湿 量 三 种 。 、 绝 对 湿 度 每 立 方 米 空 气 中 所 含 水 蒸 汽 的 质 量 叫 空 气 的 绝 对 湿 度 。 其 单 位 与 密 度 单 位相 同 （ kg/m3） ， 其 值 等 于 水 蒸 气 在 其 分 压 力 与 温 度 下 的 密 度 ， 用 符 号 v表 示 ，v

14、=Mv/V。 饱 和 空 气 ： 在 一 定 的 温 度 和 压 力 下 ， 单 位 体 积 空 气 所 能 容 纳 水 蒸汽 量 是 有 极 限 的 ， 超 过 这 一 极 限 值 ， 多 余 的 水 蒸 汽 就 会 凝 结 出 来 。 这 种 含 有极 限 值 水 蒸 汽 的 湿 空 气 叫 饱 和 空 气 ， 这 时 水 蒸 气 分 压 力 叫 饱 和 水 蒸 分 压 力 P S，其 所 含 的 水 蒸 汽 量 叫 饱 和 湿 度 s 。 、 相 对 湿 度 单 位 体 积 空 气 中 实 际 含 有 的 水 蒸 汽 量 （ V） 与 其 同 温 度 下 的 饱 和 水 蒸 汽 含 量（

15、 S） 之 比 称 为 空 气 的 相 对 湿 度 V S 反 映 空 气 中 所 含 水 蒸 汽 量 接 近 饱 和 的 程 度 。 绝 对 湿 度 只 能 说 明 空 气 中 实 际 含 有 水 蒸 气 量 ， 并 不 能 说 明 其 干 湿 程度 。如 18 的 空 气 ， 饱 和 水 蒸 气 量 为 s=0.01536kg/m3，在 30 时 ， s=0.03037kg/m3。 当 温 度 为 30 时 ， 若 仍 含 有 0.01536kg/m3水 蒸 气 时 ，则 还 有 相 当 大 的 容 纳 水 分 的 能 力 ， 而 认 为 是 比 较 干 燥 的 空 气 。 所 以此 时

16、在 实 际 上 常 用 相 对 湿 度 来 表 示 空 气 的 干 湿 程 度 。 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 愈 小 空 气 愈 干 爆 ， 0 为 干 空 气 ； 愈 大 空 气 愈 潮 湿 ， 为 饱 和 空 气 。温 度 下 降 ， 其 相 对 湿 度 增 大 ， 冷 却 到 =1时 的 温 度 称 为 露 点例 如 ： 甲 地 ： t=18 ， V 0.0107 Kg/m3, 乙 地 ： t=30 ， V 0.0154 Kg/m3解 ： 查 表 当 t为 18 ， s 0.0154 Kg/m3, 当 t为 30 ， s 0.03037 Kg/m3， 甲 地 ： V

17、 S 0.7 70% 乙 地 ： V S 0.51 51% 乙 地 的 绝 对 湿 度 大 于 甲 地 ， 但 甲 地 的 相 对 湿 度 大 于 乙 地 ， 故 乙 地 的 空 气吸 湿 能 力 强 。 露 点 ： 将 不 饱 和 空 气 冷 却 时 ， 随 着 温 度 逐 渐 下 降 ， 相 对 湿 度 逐 渐 增 大 ， 当达 到 100 时 ， 此 时 的 温 度 称 为 露 点 。 上 例 甲 地 、 乙 地 的 露 点 分 别 为 多 少 ？ 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 1 kg 理 想 气 体 、 含 湿 量 含

18、 有 1kg干 空 气 的 湿 空 气 中 所 含 水 蒸 汽 的 质 量 （ kg） 称 为 空气 的 含 湿 量 。 d vd461Sv PT 287 sd P PT0.622 S SPd P P 将 ， 代 入 得 ： 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 井 下 空 气 湿 度 的 变 化 规 律 进 风 路 线 回 风 路 线采 掘工 作面湿度 夏 冬 进 风 线 路 有 可 能 出 现 冬 干 夏湿 的 现 象 。 进 风 井 巷 有 淋 水 的 情况 除 外 。 在 采 掘 工 作 面 和 回 风 线路 上 ， 气 温 长 年 不 变 ， 湿 度 也 长年 不 变 ，

19、一 般 都 接 近 100 ， 随着 矿 井 排 出 的 污 风 ， 每 昼 夜 可 从矿 井 内 带 走 数 吨 甚 至 上 百 吨 的 地下 水 。 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 四 、 焓 焓 是 一 个 复 合 的 状 态 参 数 ， 它 是 内 能 u和 压 力 功 PV之 和 ， 焓 也 称 热 焓 。 单 位 质 量 物 质 的 焓 称 为 比 焓 （ 有 时 也 将 比 焓 简 称为 焓 ） ， 即 有 ： i=id+diV=1.0045t + d(2501+1.85t) 实 际 应 用 焓 -湿 图 （ I-d) kgJpvumHh /,第 一 节 空 气

20、的 主 要 物 理 参 数 水 蒸 气 分 压 力 （ 102Pa）含 湿 量 （ g/kg干 空 气 ） 温度 焓 （ kJ/kg干 空 气 ） 12 13 14 22 23 245 10 1502015 12 相 对 湿 度=60% =100% 35 40 45 P=101325Pa(760mmHg)t=20=60%应 用 焓 -湿 图 （ i-d)求 其 他 参 数焓 i=42.5水 蒸 气 分 压 力 =1380含 湿 量 =8.8湿 球 温 度 =15 露 点 =12当 前 温 度 下 的 饱 和水 蒸 气 分 压 力 =2300 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 五

21、、 粘 性 当 流 体 层 间 发 生 相 对 运 动 时 ， 在 流 体 内 部 两 个 流 体 层 的 接 触 面 上 ， 便 产 生 粘性 阻 力 （ 内 摩 擦 力 ） 以 阻 止 相 对 运 动 ， 流 体 具 有 的 这 一 性 质 ， 称 作 流 体 的 粘性 。 其 大 小 主 要 取 决 于 温 度 。 根 据 牛 顿 内 摩 擦 定 律 有 ： 式 中 ： 比 例 系 数 ， 代 表 空 气 粘 性 ， 称 为 动 力 粘 性 或 绝 对 粘 度 。 其 国 际 单位 ： 帕 .秒 ， 写 作 ： Pa.S。 运 动 粘 度 为 ： 温 度 是 影 响 流 体 粘 性 主

22、要 因 素 ， 气 体 ， 随 温 度 升 高 而 增 大 ， 液 体 反 之 。 V y dudyF S粘 性 取 决 于 分 子 间 的 吸 引 力 和 热 运 动 动 量 交 换 。温 度 升 高 ， 则 分 子 间 的 吸 引 力 降 低 ， 动 量 会 增 加 。对 于 液 体 ， 分 子 间 的 吸 引 力 为 主 要 影 响 因 素 ；对 于 气 体 ， 分 子 间 热 运 动 产 生 动 量 交 换 是 决 定 性 因 素 。 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 六 、 密 度 单 位 体 积 空 气 所 具 有 的 质 量 称 为空 气 的 密 度 ， 与 P、

23、t、 湿 度 等 有关 。 湿 空 气 密 度 为 干 空 气 密 度 和水 蒸 汽 密 度 之 和 ， 即 ： 根 据 气 体 状 态 方 程 ， 可 推 出 空 气密 度 计 算 公 式 ： 式 中 ： P为 大 气 压 ， P s为 饱 和 水 蒸气 压 ， 单 位 ： Pa； 为 相 对 湿 度 ； t为 空 气 温度 ， 。 s s sP P P287T 461TP 0.378 P1287T PP 0.378 P0.003484 (1 )273 st P PRT /4 ( )/26 871d vv sd sP TP P T 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 七 、 密

24、度 计 算例 1： 测 知 某 巷 道 内 空 气 压 力 为 P=100017Pa， 干 温 度 td=18.3 ,湿 温 度 为 tw=18.1 ,求 空 气 密 度 。解 ： 100017 0.378 0.98 21020.003484 (1 )1000171.1863 0.378 PP0.003484 (1 )273 st P 经 查 可 知 ： Ps=2102Pa， =98%第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 干 温 度 td=18.3 ， 湿 温 度 为 tw=18.1 =98% 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参

25、 数 七 、 矿 内 空 气 的 热 力 变 化 过 程 矿 井 空 气 热 力 学 和 自 然 风 压 计 算 等 课 题 都 要 求 对井 下 空 气 的 状 态 变 化 给 予 具 体 分 析 。 气 体 状 态 方 程 ：PV nRT 1)等 容 过 程 在 比 容 保 持 不 变 的 情 况 下 所 进 行 的 热 力 变 化 过 程 。 当 v=常数 ， 由 气 体 状 态 方 程 可 知 ： 等 容 过 程 是 v不 变 而 绝 对 压 力 和 绝 对 温 度 成 正 比 变 化 的 过 程 。 因 v不 变 ， 即 dv=0， 则 Pdv=0,热 力 学 第 一 定 律 得 ：

26、 常 数 vRTP uuq d0dd 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 在 这 个 过 程 中 ， 空 气 不 对 外 做 功 ， 空 气 所 吸 收 或放 出 的 热 量 等 于 内 能 的 增 加 或 减 少 。 因 不 变 ， 空 气 密 度 也 不 变 ， 则 通风 常 用 的 积 分 式 的 变 化 (即 压 能 变 化 )为 ： vv ,/1 vppppdp 121221 / 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 2)等 压 过 程 当 P=常 数 时 ， 则 v/T=R/P=常 数 。 表 明 等 压 过 程 是 P不 变 而 v和T成 正 比 变 化 的

27、 过 程 。 对 外 界 作 功 为 ： 热 量 变 化 为 ： 在 此 过 程 中 ， 空 气 所 吸 收 或 放 出 的 热 量 等 于 空 气 焓 的 增 加或 减 少 。 因 不 变 ， 压 能 变 化 为 ： vPvvPdvPPdv 21 1221 vPduPdvdudq 2 10dp 021 dp 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 3)等 温 过 程 当 T=常 数 时 ， 则 表 明 等 温 过 程 是 T不 变而 P和 v成 反 比 变 化 的 过 程 。 因 ,则 对 外 作 功 为 ： 因 T不 变 ， 内 能 u不 变 ， 故 热 量 变 化 为 ： Pv

28、RT 常 数 vRTP / 21122121 lnln PPRTvvRTvdvRTdvvRT 2121 lnln0d PPRTPPRTq 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 在 此 过 程 中 ， 空 气 从 外 界 获 得 的 热 量 ， 等 于 空 气 对 外 界 作出 的 功 ； 或 者 说 空 气 向 外 界 放 出 的 热 量 ， 等 于 空 气 从 外 界 获 得的 功 。 因 ： 故 压 能 变 化 为 ： 1, 1111 PvPvvpPv 211121 ln PPPdp 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 4) 绝 热 过 程 绝 热 过 程 是 空 气

29、 和 外 界 没 有 热 量 交 换 的 情 况 下 dp=0， 所 进行 的 膨 胀 或 压 缩 的 过 程 ， 空 气 的 T、 v都 发 生 变 化 ， 而 且 变 化 规律 很 复 杂 。 分 析 得 出 ： 在 此 过 程 中 空 气 对 外 界 作 出 的 功 等 于 空气 内 能 的 减 少 ； 空 气 从 外 界 获 得 的 功 等 于 空 气 内 能 的 增 加 。 其状 态 变 化 规 律 为 ： 式 中 ： k绝 热 指 数 ， 对 于 空 气 ， k =1.41 则 压 能 变 化 为 ： 常 数 kk vPPv 11 1122112221 11 vPvPkkPPkkd

30、p 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 5)多 变 过 程 这 是 多 种 变 化 过 程 ， 这 个 过 程 的 状 态 变 化 规 律 为 : n多 变 指 数 ， 不 同 的 n值 决 定 不 同 的 状 态 变 化 规 律 ， 描述 不 同 的 变 化 过 程 ； 例 如 当 n=0时 ， P=常 数 ， 表 示 等 压 过 程 ； n=1时 ， Pv=常 数 ， 表 示 等 温 过 程 ； n=K时 ， Pvk=常 数 ， 表 示 绝 热 过 程 ； n= 时 ， v =常 数 ， 表 示 等 容 过 程 。 则 压 能 变 化 为 ： 常 数nPv 1122112221

31、 11 vPvPn nPPn ndp 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 6)实 际 气 体 的 状 态 方 程 实 验 证 明 ： 只 有 在 低 压 下 ， 气 体 的 性 质 才 近 似 符 合 理 想 气体 状 态 方 程 式 ， 在 高 压 低 温 下 ， 任 何 气 体 对 此 方 程 都 出 现 明 显的 偏 差 ， 而 且 压 力 愈 大 ， 偏 离 愈 多 。 实 际 气 体 的 这 种 偏 离 ， 通常 采 用 与 RT的 比 值 来 说 明 这 个 比 值 称 为 压 缩 因 子 ， 以 符 号 Z表示 ， 定 义 式 为 ： 显 然 ， 理 想 气 体 的

32、Z 1， 实 际 气 体 的 Z一 般 不 等 于 1， 而 是 Z 1或 Z 1。 Z值 偏 离 1的 大 小 ， 是 实 际 气 体 对 理 想 气 体 性 质 偏 离程 度 的 一 个 度 量 。 RTpvZ 第 一 节 空 气 的 主 要 物 理 参 数 能 量 与 压 力 是 通 风 工 程 中 两 个 重 要 的 基 本 概 念 ， 压 力 可 以 理 解 为 ： 单 位 体 积 空 气所 具 有 的 能 够 对 外 作 功 的 机 械 能 。一 、 风 流 的 能 量 与 压 力1.静 压 能 静 压（ 1） 静 压 能 与 静 压 的 概 念 空 气 的 分 子 无 时 无 刻

33、 不 在 作 无 秩 序 的 热 运 动 。 这 种 由 分 子 热 运 动 产 生 的 分 子 动 能的 一 部 分 转 化 的 能 够 对 外 作 功 的 机 械 能 叫 静 压 能 ， J m3， 在 矿 井 通 风 中 ， 压 力 的概 念 与 物 理 学 中 的 压 强 相 同 ， 即 单 位 面 积 上 受 到 的 垂 直 作 用 力 。 静 压 Pa=N/m2也 可称 为 静 压 能 ， 值 相 等 。（ ） 静 压 特 点 a.无 论 静 止 的 空 气 还 是 流 动 的 空 气 都 具 有 静 压 力 ； b.风 流 中 任 一 点 的 静 压 各 向 同 值 ， 且 垂

34、直 于 作 用 面 ； c.风 流 静 压 的 大 小 （ 可 以 用 仪 表 测 量 ） 反 映 了 单 位 体 积 风 流 所 具 有 的 能 够 对 外 作功 的 静 压 能 的 多 少 。 如 说 风 流 的 压 力 为 101332Pa， 则 指 风 流 1m3具 有 101332J的 静压 能 。区 别 ： 能 量 促 使 空 气 流 动 的 根 本 原 因 是 能 量 差 压 力 对 外 做 功 有 力 的 表 现联 系 : 风 流 任 一 断 面 上 都 有 压 能 、 位 能 和 动 能 ， 而 这 三 种 能 量 又 分别 可 用 相 应 的 静 压 、 位 压 和 动 压

35、 （ 速 压 ） 来 体 现 。 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 （ ） 压 力 的 两 种 测 算 基 准 （ 表 示 方 法 ） 根 据 压 力 的 测 算 基 准 不 同 ， 压 力 可 分 为 ： 绝 对 压 力 和 相 对 压 力 。 a.绝 对 压 力 ： 以 真 空 为 测 算 零 点 （ 比 较 基 准 ） 而 测 得 的 压 力 称 之 为 绝 对 压 力 ，用 P 表 示 。 b.相 对 压 力 ： 以 当 时 当 地 同 标 高 的 大 气 压 力 为 测 算 基 准 (零 点 )测 得 的 压 力 称之 为 相 对 压 力 ， 即 通 常 所 说 的 表 压

36、 力 ， 用 h 表 示 。 风 流 的 绝 对 压 力 （ P） 、 相 对 压 力 （ h） 和 与 其 对 应 的 大 气 压 （ P0） 三 者 之间 的 关 系 如 下 式 所 示 ： h = P P0P a 真 空P0 Pbha(+) hb(-)a bP0 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 2、 重 力 位 能（ 1)重 力 位 能 的 概 念 物 体 在 地 球 重 力 场 中 因 地 球 引 力 的 作 用 ， 由 于 位 置 的 不 同 而 具 有 的 一 种 能量 叫 重 力 位 能 ， 简 称 位 能 ， 用 EPO 表 示 。 如 果 把 质 量 为 M（ k

37、g） 的 物 体 从 某 一 基 准 面 提 高 Z（ m） ， 就 要 对 物 体 克 服 重力 作 功 M.g.Z（ J） ， 物 体 因 而 获 得 同 样 数 量 （ M.g.Z） 的 重 力 位 能 。 即 ： EPO=M.g.Z 重 力 位 能 是 一 种 潜 在 的 能 量 ， 它 只 有 通 过 计 算 得 其 大 小 ， 而 且 是 一 个 相 对值 。 实 际 工 作 中 一 般 计 算 位 能 差 。 (2)位 能 计 算 重 力 位 能 的 计 算 应 有 一 个 参 照 基 准 面 。 E p012= igdzi如 下 图 1-2两 断 面 之 间 的 位 能 差 ：

38、 dzi 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 （ 3)位 能 与 静 压 的 关 系 当 空 气 静 止 时 （ v=0） ， 由 空 气 静 力 学 可 知 ： 各 断 面 的 机 械 能 相 等 。 设 以 2-2断 面 为基 准 面 ： 1-1断 面 的 总 机 械 能 E1=EPO1+P1 2-2断 面 的 总 机 械 能 E2=EPO2+P2 由 E1=E2得 ： EPO1+P1=EPO2+P2 由 于 EPO2=0（ 2-2断 面 为 基 准 面 ） ， EPO1=12.g.Z12， 所 以 ： P2=EPO1+P1=12.g.Z12+P1 说 明 ： a.位 能 与 静

39、压 能 之 间 可 以 互 相 转 化 。 b.在 矿 井 通 风 中 把 某 点 的 静 压 和 位 能 之 和 称 之 为 势 能 。（ 4)位 能 的 特 点 a.位 能 是 相 对 某 一 基 准 面 而 具 有 的 能 量 ， 它 随 所 选 基 准 面 的 变 化 而 变 化 。 但 位 能 差 为 定 值 。 b.位 能 是 一 种 潜 在 的 能 量 ， 它 在 本 处 对 外 无 力 的 效 应 ， 即 不 呈 现 压 力 ， 故 不 能 象 静 压那 样 用 仪 表 进 行 直 接 测 量 。 c.位 能 和 静 压 可 以 相 互 转 化 ， 在 进 行 能 量 转 化

40、时 遵 循 能 量 守 恒 定 律 。 dzi 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 3.动 能 动 压 (1) 动 能 与 动 压 的 概 念 当 空 气 流 动 时 ， 除 了 位 能 和 静 压 能 外 ， 还 有 空 气 定 向 运 动 的动 能 ， 用 Ev表 示 ， J/m3； 其 动 能 所 转 化 显 现 的 压 力 叫 动 压 或 称速 压 ， 用 符 号 hv表 示 ， 单 位 Pa。 (2) 动 压 的 计 算 单 位 体 积 空 气 所 具 有 的 动 能 为 ： Evi i v2 0.5 ， J/m3 式 中 ： i i点 的 空 气 密 度 ， kg/m3；

41、v i点 的 空 气 流 速 ， m/s。 E vi对 外 所 呈 现 的 动 压 hvi， 其 值 相 同 。 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 (3) 动 压 的 特 点 a. 只 有 作 定 向 流 动 的 空 气 才 具 有 动 压 ， 因 此 动 压 具 有 方 向 性 。 b. 动 压 总 是 大 于 零 。 垂 直 流 动 方 向 的 作 用 面 所 承 受 的 动 压 最大 （ 即 流 动 方 向 上 的 动 压 真 值 ） ； 当 作 用 面 与 流 动 方 向 有 夹 角 时 ，其 感 受 到 的 动 压 值 将 小 于 动 压 真 值 。 c. 在 同 一 流

42、动 断 面 上 ， 由 于 风 速 分 布 的 不 均 匀 性 ， 各 点 的 风速 不 相 等 ， 所 以 其 动 压 值 不 等 。 d. 某 断 面 动 压 即 为 该 断 面 平 均 风 速 计 算 值 。第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 （ ） 全 压 风 道 中 任 一 点 风 流 ， 在 其 流 动 方 向 上 同 时 存 在 静 压 和 动 压 ， 两 者 之 和 称 之为 该 点 风 流 的 全 压 ， 即 ： 全 压 静 压 动 压 。 由 于 静 压 有 绝 对 和 相 对 之 分 ， 故 全 压 也 有 绝 对 和 相 对 之 分 。 a.绝 对 全 压 （

43、Pti） Pti Pi hvi b.相 对 全 压 （ hti） hti hi hvi Pti Poi 说 明 ： a.相 对 全 压 有 正 负 之 分 ； b.无 论 正 压 通 风 还 是 负 压 通 风 ， PtiPi hti hi。二 、 风 流 的 点 压 力 之 间 相 互 关 系 风 流 的 点 压 力 是 指 测 点 的 单 位 体 积 (1m 3)空 气 所 具 有 的 压 力 。 通 风 管 道 中 流动 的 风 流 的 点 压 力 可 分 为 ： 静 压 、 动 压 和 全 压 。 风 流 中 任 一 点 i的 动 压 、 绝 对 静 压 和 绝 对 全 压 的 关 系

44、 为 ： hvi=Pti-Pi hvi、 hI和 hti三 者 之 间 的 关 系 为 ： hti = hi + hvi 。 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 压 入 式 通 风 （ 正 压 通 风 ） ： 风 流 中 任 一 点 的 相 对 全 压 恒 为 正 。 Pti and Pi Poi hi ， hti 0 且 hti hi ， hti = hi + hvi 压 入 式 通 风 的 实 质 是 使 风 机 出 口 风 流 的 能 量 增 加 ， 即 出 口 风 流 的 绝 对 压 力 大 于 风机 进 口 的 压 力 。抽 出 式 通 风 （ 负 压 通 风 ） ： 风 流

45、 中 任 一 点 的 相 对 全 压 恒 为 负 ， 对 于 抽 出 式 通 风 由于 hti 和 hi 为 负 ， 实 际 计 算 时 取 其 绝 对 值 进 行 计 算 。 Pti and Pi Po i h ti 0 且 hti hi， 但 |hti|hi|实 际 应 用 中 ， 因 为 负 通 风 风 流 的 相 对 全 压 和 相 对 静 压 均 为 负 值 ， 故 在 计 算 过 程 中取 其 绝 对 值 进 行 计 算 。 即 ： |hti| =|hi| hvi 抽 出 式 通 风 的 实 质 是 使 风 机 入 口 风 流 的 能 量 降 低 ， 即 入 口 风 流 的 绝 对

46、 压 力 小 于 风机 出 口 的 压 力 。 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 hvhtb (-)hb(-)风 流 点 压 力 间 的 关 系a bPa 真 空P0 Pbha(+) P0Pta hv hta (+) Ptb抽 出 式 通 风压 入 式 通 风压 入 式 通 风 抽 出 式 通 风第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 例 题 2-2-1 如 图 压 入 式 通 风 风 筒 中 某 点 i的 hi=1000Pa， hvi=150Pa， 风 筒 外 与 i点 同 标 高 的P0i=101332Pa， 求 ： (1) i点 的 绝 对 静 压 Pi； (2) i点 的

47、 相 对 全 压 hti； (3) i点 的 绝 对 全 压 Pti。 解 ： (1) Pi=P0i+hi=101332+1000=102332Pa (2) hti=hi+hvi=1000+150=1150Pa (3) Pti=P0i+hti=Pi+hvi=101332.32+1150=Pa例 题 2-2-2 如 图 抽 出 式 通 风 风 筒 中 某 点 i的 h i=1000Pa， hvi=150Pa， 风 筒 外 与 i点 同 标 高 的P0i=101332Pa， 求 ： (1) i点 的 绝 对 静 压 Pi； (2) i点 的 相 对 全 压 hti； (3) i点 的 绝 对 全

48、压 Pti。 解 ： (1) Pi=P0i+hi=101332.5-1000=100332Pa (2) |hti| = |hi| hvi 1000-150=850Pa hti 850 Pa (3) P ti=P0i+hti=101332.5-850=100482Pa i i第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 三 、 风 流 点 压 力 的 测 定 、 矿 井 主 要 压 力 测 定 仪 器 仪 表 （ ） 绝 对 压 力 测 量 ： 空 盒 气 压 计 、 精 密 气 压 计 、 水 银气 压 计 等 。 （ ） 压 差 及 相 对 压 力 测 量 ： 恒 温 气 压 计 、 “ ”

49、水 柱计 、 补 偿 式 微 压 计 、 倾 斜 单 管 压 差 计 。 （ ） 感 压 仪 器 ： 皮 托 管 ， 承 受 和 传 递 压 力 。 、 压 力 测 定 （ ） 绝 对 压 力 直 接 测 量 读 数 （ ） 相 对 静 压 h i z 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 3.点 压 力 测 定 原 理 测 定 布 置 如 下 图 所 示 ， 以 水 柱 计 的 等 压 面 0 0为 基 准 面 ， 设 i点 至 基 准 面 的 高 度 为 z，胶 皮 管 内 的 空 气 平 均 密 度 为 m， 胶 皮 管 外 的 空 气 平 均 密 度 为 m ； 与 i点 同 标

50、 高 的 大气 压 P0。 则 水 柱 计 等 压 面 0 0两 侧 的 受 力 分 别 为 ： 水 柱 计 左 边 等 压 面 上 受 到 的 力 ： 水 柱 计 右 边 等 压 面 上 受 到 的 力 ： 由 等 压 面 的 定 义 有 ： P左 P右 ， 即 ： hi z i mP+ g(z-h)+hio mP + gzio m i mP + gz P+ g(z-h)+hm m 设 ， 且 忽 略 这 一 微 小 量 ，经 整 理 得 ： m ghi oih P P 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 作 业 2-1 2-3 2-4 测 得 风 筒 内 某 点 i相 对 压 力

51、如 图 所 示 ， 求 动 压 ， 并 判 断通 风 方 式 zP0 i100 150h v 第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 本 节 课 重 点 能 量 方 程 及 在 矿 井 中 的 应 用 问 题 ： 1、 单 位 质 量 与 单 位 体 积 流 量 能 量 方 程 有 哪 些 不 同 特 点 ？ 2、 我 国 矿 井 通 风 中 为 何 习 惯 使 用 单 位 体 积 流 量 能 量 方 程 ？ 3、 抽 出 式 通 风 的 风 机 出 口 为 什 么 要 外 接 扩 散 器 ？第 二 节 风 流 的 能 量 与 压 力 当 空 气 在 井 巷 中 流 动 时 ， 将 会 受

52、 到 通 风 阻 力 的 作 用 ， 消 耗 其 能 量 ； 为 保 证 空 气连 续 不 断 地 流 动 ， 就 必 需 有 通 风 动 力 对 空 气 作 功 ， 使 得 通 风 阻 力 和 通 风 动 力相 平 衡 。一 、 空 气 流 动 连 续 性 方 程 在 矿 井 巷 道 中 流 动 的 风 流 是 连 续 不 断 的 介 质 ， 充 满 它 所 流 经 的 空 间 。 在 无 点源 或 点 汇 存 在 时 ， 根 据 质 量 守 恒 定 律 ： 对 于 稳 定 流 ， 流 入 某 空 间 的 流 体 质 量必 然 等 于 流 出 其 的 流 体 质 量 。 如 图 井 巷 中

53、风 流 从 1断 面 流 向 2断 面 ， 作 定 常 流 动 时 ， 有 ： M i=const V1 S1 V S 、 2 1、 2断 面 上 空 气 的 平 均 密 度 ， kg/m3 ； V1、 V2 1、 2断 面 上 空 气 的 平 均 流 速 ， m/s； S1、 S2 1、 2断 面 面 积 ， m2。 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 若 ， 则 V1 S1 V S2 。对 于 不 可 压 缩 流 体 ， 通 过 任 一 断 面 的 体 积 流 量 相 等 ， 即Q=ViSi=const第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 二 、 可 压 缩

54、流 体 的 能 量 方 程能 量 方 程 表 达 了 空 气 在 流 动 过 程 中 的 压 能 、 动 能 和 位 能 的 变 化 规 律 ， 是 能 量 守恒 和 转 换 定 律 在 矿 井 通 风 中 的 应 用 。（ 一 ） 单 位 质 量 (1kg)流 量 的 能 量 方 程 1.能 量 组 成 在 井 巷 通 风 中 ， 风 流 的 能 量 由 机 械 能 （ 静 压 能 、 动 压 能 、 位 能 ） 和 内 能 组成 ， 常 用 1kg空 气 或 1m3空 气 所 具 有 的 能 量 表 示 。 机 械 能 ： 静 压 能 、 动 压 能 和 位 能 之 和 。 内 能 ： 风

55、 流 内 部 所 具 有 的 分 子 内 动 能 与 分 子 位 能 之 和 。 用 u表 示 1kg空 气 所 具 有 的 内 能 ， J/kg。 ( , )u f T 式 中 ： T 空 气 的 温 度 ， K； 空 气 的 比 容 ， m3/kg。 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 2.风 流 流 动 过 程 中 能 量 分 析21 1 1 11P v1 : . u2 g Z 断 面 总 能 量假 设 ： 1kg空 气 由 1断 面 流 至 2断 面 的 过 程 中 ， LR（ J/kg） ： 克 服 流 动 阻 力 消 耗 的 能 量 ； q R（ J/kg） ： L

56、R部 分 转 化 的 热 量 (这 部 分 被 消 耗 的 能 量 将 转 化 成 热能 仍 存 在 于 空 气 中 ） ； q（ J/kg） ： 外 界 传 递 给 风 流 的 热 量 （ 岩 石 、 机 电 设 备 等 ） 。 根 据 能 量 守 恒 定 律 及 转 换 定 律 ： 222 2 22P v2 . u2 g Z 到 达 断 面 时 的 能 量 :2 21 1 2 21 1 2 2 R1 2P v P v. u . u +L2 2 Rg Z q q g Z z1 z20 0第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 根 据 热 力 学 第 一 定 律 ， 传 给 空 气

57、 的 热 量 （ qR+q） ， 一 部 分 用 于 增 加 空气 的 内 能 ， 一 部 分 使 空 气 膨 胀 对 外 作 功 ， 即 ：式 中 ： v为 空 气 的 比 容 ， m3/kg。又 因 为 ：将 后 两 个 公 式 代 入 第 一 个 公 式 ， 并 整 理 得2R 2 1 1q q=u u Pd 2 2 21 2 1 1 2 2 1 1 11 2P P P P d P Pd dPv v v v v 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 RqqZZg 212122212211R uu2v2vPPL vdPuu=qq 2112R 12121222112211 dP

58、PdPdPPPP vvvvv 2 21 1 2R 1 22 v vL dP g Z2 2v Z 即 为 ： 单 位 质 量 可 压 缩 空 气 在 无 压 源 的 井 巷 中 流 动 时 能 量 方 程 的 一 般 形 式 。有 压 源 Lt 在 时 ， 单 位 质 量 可 压 缩 空 气 井 巷 中 流 动 时 能 量 方 程 可 写 成 如 下 一般 形 式 。 2 21 1 2R 1 2 t2 v vL dP g Z L2 2v Z 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 式 中 称 为 伯 努 力 积 分 项 ， 它 反 映 了 风 流 从 1断 面 流 至 2断 面 的

59、过 程 中 的 静 压 能 变 化 ， 它 与 空 气 流 动 过 程 的 状 态 密 切 相 关 。 对 于不 同 的 状 态 过 程 ， 其 积 分 结 果 是 不 同 的 。1 12 2 1dP dPv 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 对 于 多 变 过 程 ， 过 程 指 数 为 n， 对 伯 努 利 积 分 进 行 积 分 计 算 ， 可 得 到 ： 单 位 质量 可 压 缩 空 气 在 无 压 源 的 井 巷 中 流 动 时 能 量 方 程 可 写 成 如 下 一 般 形 式 。其 中 过 程 指 数 n按 下

60、 式 计 算 ：有 压 源 L t 在 时 ， 单 位 质 量 可 压 缩 空 气 井 巷 中 流 动 时 能 量 方 程 可 写 成 如 下 一 般形 式 。 21 2112 21 lnln lnPlnPlnln lnPlnPlnlnPdlndlnP=n vvvv 2122212211R Zg2v2vPP1nnL Z tLZ 2122212211R Zg2v2vPP1nnL 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 式 中 m表 示 1， 2断 面 间 按 状 态 过 程 考 虑 的 空 气 平 均 密 度 ， 得令 m 212211 PPPP1n n 221122 11 21 2

61、12211 21 PP/P /Pln PPln PPPP1n n PP m 21222121R Zg2v2vPPL Zm 2 21 2 1 2R 1 2mP P v vL g Z2 2 tZ L 则 单 位 质 量 流 量 的 能 量 方 程 式 又 可 写 为 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 （ 二 ） 单 位 体 积 (1m3)流 量 的 能 量 方 程我 国 矿 井 通 风 中 习 惯 使 用 单 位 体 积 （ 1m3） 流 体 的 能 量 方 程 。 在 考 虑 空 气 的 可 压 缩 性 时 ，那 么 1m3 空 气 流 动 过 程 中 的 能 量 损 失 （

62、hR， J/m3（ Pa） ， 即 通 风 阻 力 ） 可 由 1kg空 气 流 动 过程 中 的 能 量 损 失 （ LR J/Kg） 乘 以 按 流 动 过 程 状 态 考 虑 计 算 的 空 气 密 度 m， 即 ： hR=LR.m；则 单 位 体 积 (1m3)流 量 的 能 量 方 程 的 书 写 形 式 为 ： 21m222121R Zg2v2vPPh Zm 几 点 说 明 ：1.1m 3空 气 在 流 动 过 程 中 的 能 量 损 失 （ 通 风 阻 力 ） 等 于 两 断 面 间 的 机 械 能 差 。2.gm（ Z1-Z2） 是 1、 2断 面 的 位 能 差 。 当 1、

63、 2 断 面 的 标 高 差 较 大 的 情 况 下 ， 该 项 数 值 在方 程 中 往 往 占 有 很 大 的 比 重 ， 必 须 准 确 测 算 。 其 中 ， 关 键 是 m的 计 算 ， 及 基 准 面 的选 取 。 m的 测 算 原 则 ： 将 1 2断 面 测 段 分 为 若 干 段 ， 计 算 各 测 定 断 面 的 空 气 密 度 (测 定 P、t 、 )， 求 其 几 何 平 均 值 。 基 准 面 选 取 ： 取 测 段 之 间 的 最 低 标 高 作 为 基 准 面 。 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 例 如 ： 如 图 所 示 的 通 风 系 统

64、， 如 要 求 1、 2断 面 的 位 能 差 ， 基 准 面 可 选 在 2的 位置 。 其 位 能 差 为 ：而 要 求 1、 3两 断 面 的 位 能 差 ， 其 基 准 面 应 选在 0-0位 置 。 其 位 能 差 为 ： . 是 1、 2两 断 面 上 的 动 能 差 a. 在 矿 井 通 风 中 ， 因 其 动 能 差 较 小 ， 故 在 实 际 应 用 时 ， 式 中 可 分 别 用 各 自断 面 上 的 密 度 代 替 计 算 其 动 能 差 。 即 上 式 写 成 ： 其 中 ： 、 2分 别 为 1、 断 面 风 流 的 平 均 气 密 度 。 12 30 01po12

65、12 122E gdZ gZm 13 30301010po13 gdZE gZgZ mm m 2v2v 2221 22212112 2v2v vh 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 b.动 能 系 数 ： 是 断 面 实 际 总 动 能 与 用 断 面 平 均 风 速 计 算 出 的 总 动 能 的 比 。即 ： 因 为 能 量 方 程 式 中 的 v1、 v2分 别 为 1、 2断 面 上 的 平 均 风 速 。 由 于 井 巷 断面 上 风 速 分 布 的 不 均 匀 性 ， 用 断 面 平 均 风 速 计 算 出 来 的 断 面 总 动 能 与 断面 实 际 总 动 能

66、 不 等 。 需 用 动 能 系 数 Kv加 以 修 正 。 在 矿 井 条 件 下 ， Kv一 般为 1.02 1.05。 由 于 动 能 差 项 很 小 ， 在 应 用 能 量 方 程 时 ， 可 取 K v为 1。 因 此 ， 在 进 行 了 上 述 两 项 简 化 处 理 后 ， 单 位 体 积 流 体 的 能 量 方 程 可 近 似的 写 成 ： 2m21m122212121R gg2v2vPPh ZZ 2 3s sv 2 3ds ds2K v vvS2u u uS t2m21m122212121R H+gg2v2vPPh ZZ 第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 212122212121R 2g2v2vPPh ZZ 补 充 ： 国 内 最 常 用 的 公 式 ：第 三 节 矿 井 通 风 中 的 能 量 方 程 （ 三 ） 关 于 能 量 方 程 使 用 的 几 点 说 明1. 能 量 方 程 的 意 义 是 ， 表 示 1kg（ 或 1m3） 空 气 由 1断 面 流 向 2断 面 的 过 程 中所 消 耗 的 能 量 （ 通 风 阻 力 ） ， 等 于