第02章矿井空气流动基本理论

矿井通风与安全黑龙江科技学院张锦鹏Email:[e-mail]安全工程学院2第二章矿井空气流动基本理论前一章学习了矿井空气成分及浓度要求，那么本章要解决矿井空气的物理参数、流动基本规律及指导实际的矿井通风。2.1矿井空气的主要物理参数2.1.1温度描述物体冷热状态的物理量。温标：热力学温标T、单位K；摄氏温标t、单位℃换算T=273.15+t最适宜的矿内空气温度是15～20℃。矿内空气温度的变化规律:在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比，有冬暖夏凉的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。32.1.2压力（压强）压强：空气分子永不停息、无规则的热运动对容器壁的宏观表现。在矿井通风中习惯称为压力。因为这里所指的空气压力（压强）与其宏观运动无关，所以又称为空气的静压力。其大小取决于重力场中的位置（相对高度）、空气温度、湿度与空气成分等参数。单位：PakPaMPammHgmmH20mmbarbaratm等。换算见P4341MPa=103kPa=106Pa=1atm2.1.3密度、比容密度：单位体积空气所具有的质量，用符号ρ(kg/m3)表示比容：单位质量空气所占有的体积，用符号υ(m3/kg)表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。计算公式ρ常随T、P的变化而变化。标准状态下干空气的密度ρ0=1.293kg/m342.1.4粘性流体抵抗剪切力的性质。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。由牛顿内摩擦定律得：式中，F--内摩擦力，N；S--流层之间的接触面积，m2；μ--动力粘度(或称绝对粘度)，Pa.s。当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，du/dy=0，则F=0。矿井通风中常用运动粘度，用符号ν(m2/s)表示：52.1.5湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。不含水蒸气的空气称为干空气；含有水蒸气的空气称为湿空气。一、表示空气湿度的方法1)绝对湿度（V）：1m3空气中所含水蒸汽的质量。单位Kg/m3，其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。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，PS，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度s。2)相对湿度（Φ）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（S）之比。反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。Φ=0干空气；Φ=1饱和空气;1≥Φ0湿空气3)含湿量含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg）。二、井下空气湿度的变化规律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，一般都接近100％。6例如：甲地：t=18℃，V＝0.0107Kg/m3乙地：t=30℃，V＝0.0154Kg/m3解：查附表(P435)当t为18℃，s＝0.0154Kg/m3当t为30℃，s＝0.03037Kg/m3∴甲地：φ＝V/S＝0.7＝70%乙地：φ＝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。上例甲地、乙地的露点分别为多少？三、水蒸气对干空气物理参数的影响1)湿空气密度式中，ρd—1m3湿空气中干空气的质量，kg；ρv—1m3湿空气中水蒸气的质量，kg。2)湿空气压力式中，Pd—1m3湿空气中干空气的分压力，Pa；Pv—1m3湿空气中水蒸气的分压力，Pa。P=Pd+Pv2.1.6焓是一个组合的状态参数，表示气体热力状态的总能量。单位质量物质的焓称为比焓。它是内能u和压力功PV之和。i=id+d•iV=1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓-湿图（i-d图）复习思考题1-1简述井下空气温度的变化规律。1-2简述湿度的表示方式以及矿内湿度的变化规律。1-3某矿井冬季总进风流的温度为5℃，相对湿度为70%，矿井总回风流的温度为20℃，相对湿度为90%，矿井总进、总回风量平均为2500m3/min。试求风流在全天之内从井下带走多少水分？（已知总进、回空气的饱和湿度为4.76和15.48g/m3）82.2风流能量与压力92.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。3.静压力测算基准（表示方法）静压一般直接测量,根据测算基准不同，可分为：A、绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力，用P表示。B、相对压力：以当时当地同标高的大气压力P0为测算基准(零点)测得的压力，通常所说的表压力，用h表示。4.绝对压力P、相对压力h和测算基准P0的关系：h=P－P0P永远0;而h有正负之分；P可、或=P0abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P010dzi１２２１abz121112⑵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。⑷某断面动压即为该断面平均风速计算值。四、全压风道中任一点i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（Pti）Pti＝Pi＋hviB相对全压（hti）hti＝hi＋hvi＝Pti－Poi说明：A相对全压有正负之分；B无论正压通还是负压通风，PtiPihti＞hi。名称定义产生原因分类及符号单位计算公式特点备注静压空气分子对容器壁单位面积上施加的压力。重力热运动绝对静压PsPaPs＝P0±hs①在各个方向上都相等②只要有空气存在，就呈现出静压③静压的大小反映了静压能的多少压入式取﹢抽出式取﹣相对静压hsPa速压（动压）风流定向流动时动能呈现的压力。空气流动hvPahv＝ρv2/2①具有方向性②永远为正③同一断面上各点的速压不相等恒为正位压因空气位置高度不同而产生的压力。位置高度PwPaPw＝ρgZ①与基准面有关②不能用仪器测量③不呈现压力④位压与静压可以相互转化只与基准面选取有关三个基本压力的比较表名称组合方式分类及符号单位计算公式备注全压静压＋速压绝对全压PtPaPt＝Ps＋hv压入式取﹢抽出式取﹣相对全压htPaht＝hs±hv势压静压＋位压PnPaPn＝Ps＋Pw同一断面上任一点的势压相等总压静压＋速压＋位压PzPaPz＝Ps＋hv＋Pw对同一断面而言三个导出压力的比较表152.2.2风流点压力及其相互关系一、风流的点压力概念：是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。巷道或通风管道中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hvi、绝对静压Pi和绝对全压Pti的关系为：Pti＝Pi＋hvi风流中任一点i的动压hvi、相对静压hi和相对全压hti的关系为：hti＝hi＋hvi讨论：1∵Pi永远0，hvi永远0，∴Pti永远0，不论抽出式还是压入式；2∵hvi永远0，∴Pti永远Pi，不论抽出式还是压入式；3在压入式通风中，∵PtiandPiP0i∴hi＞0，hti＞0hti恒正∴称为正压通风且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，出口风流的绝对压力大于风机进口的压力。aP0iPi真空P0ihi(+)Ptihvihti(+)164在压入式通风中，∵PtiandPi＜Poi∴hti＜0，hi＜0hti恒负∴称为负压通风且hti＞hi，但|hti||hi|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，即入口风流的绝对压力小于风机进口的压力。5从3和4看出，hti的正负与通风方式有关。bP0i真空P0iPihi(-)hvihti(-)PtiPatPa真空P0Pbha(+)hb(-)hvhat(+)hvhbt(-)Pbt压入式通风抽出式通风17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点的相对全压hti；(3)i点的绝对全压Pti。解：(1)Pi=P0i+hi=101332.5-1000=100332Pa(2)|hti|=|hi|－hvi＝1000-150=850Pahti＝－850Pahti=hi+hvi＝-1000+150=-850Pa(3)Pti=P0i+hti=101332.5-850=100482Pa18二、风流点的压力测定1压力测定仪器仪表1)绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。2)压差及相对压力测量：恒温气压计、“Ｕ”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。3)感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+-测压2用皮托管和“Ｕ”型压差计测量风流点压力如图,将皮托管的尖端孔口正对风流来流方向，侧壁孔口b平行于风流方向，与管的“-”口相连，只感受到绝对静压Pi；尖端孔口a正对风流方向，与管的“+”口相连，既感受到绝对静压Pi,又感受到动压hvi；所以测的是绝对全压Pti。_ab＋19以正压通风为例来说明以水柱计的等压面0－0为基准面设:i点至基准面的高度为Z，皮托管内的空气平均密度为ρm，皮托管外的空气平均密度为ρm’；与i点同标高的大气压P0i。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：P左＝P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh水柱计右边等压面上受到的力：P右＝Pi+ρmgz由等压面的定义有：P左＝P右，即：P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh＝Pi+ρmgzPi-P0i=ρm’g(z-h)+ρ水gh-ρmgz设ρm＝ρm’，且忽略ρm’gh这一微小量，整理得：Pi-P0i=ρ水gh即hmmH2O=hi说明：（1）水柱计上下移动时，hi保持不变；（2）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上hi相同。＋－０’０’hiP0zP0izP0i＋－h00（３）相对全压、动压测量测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化）212.3通风能量方程１２222.3.2可压缩流体能量方程能量方程是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用，表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律。因为矿井风流的密度是变化的，即空气可压缩；所以当外力对它做功增加机械能的同时，也增加其内能。因此还涉及到能量转换。一、单位质量（1kg）空气能量方程1能量的组成在井巷通风中，1kg空气或1m3风流的能量由机械能（静压能、动压能、位能）和内能组成。（1kg空气所具有的能量）机械能：静压能、动压能和位能之和。内能：是空气状态参数的函数，即：u=f(T,v)=f(P,v)。2.风流流动过程中能量分析任一断面风流总机械能：压能＋动能＋位能任一断面风流总能量：压能＋动能＋位能＋内能，所以，对单位质量流体有：112111u.2vP:11Zg断面总能量222222u.2vP:22Zg断面总能量23１