第2章 矿井空气流动基本理论

1/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论1第二章矿井空气流动的基本理论2/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论2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节能量方程在矿井通风中的应用3/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论3上次课内容回顾1)、上次课所讲的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)、能解决的实际问题（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（O2），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。4/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论4第二章矿井空气流动的基本理论本章的重点：1、空气的物理参数----T、P、Φ、μ、ρ；2、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3、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4、能量方程在矿井中的应用----边界条件、压力坡度图本章的难点：点压力之间的关系能量方程及其在矿井中的应用5/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论5思考题•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量的？•7、为什么抽出式风机要加扩展器？6/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论6第二章矿井空气流动的基本理论主要研究内容：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，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。7/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论7一、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，热力学温标规定纯水三相态点温度（汽、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标，用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物理参数8/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论8二、压力（压强）在矿井通风学中，习惯把压强称为压力。大气压力：地球表面一层很厚的空气层对地面所形成的压力。其大小取决于大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。物理参数9/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论9在地球引力（重力）场中的大气层空气由于重力的影响，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规律是分子热运动和地球引力作用两者协调的结果，如果没有地球引力则空气分子将逸散到广大的宇宙空间而不变存在在大气层。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兹曼公式表示：no---海平面（z=o）单位体积的分子数；μ---空气的摩尔质量，28.97Kg/kmol；T---空气温度，T=273.15+t，K；g---重力加速度，9.81m/s2；RO---通用气体常数（摩尔气体恒量），8314J/(kmol·k)；exp()oogznnRT物理参数10/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论10其大气压力随高度的变化规律与上式相似，如下式所示。其中Po---海平面（z=o）大气压力；标准大气压力取R为干空气的气体常数，R=R0/μ=287J/kg.K。exp()OOgzPPRT不同标高处的空气压力比值标高z/m+1000±0-1000p/po0.8881.01.126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270～400Pa有时可达1300Pa，一年中大气压变化可高达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。物理参数11/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论11矿井常用压强单位：PaMpammHgmmH20barmmbaratm等。换算关系：1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa1mmHg=13.6mmH20=133.32Pa1mmbar=100Pa=10.19mmH201mmH20=9.81Pa物理参数12/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论12三、湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气湿度的方法：绝对湿度、相对温度和含湿量三种１、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），其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。v=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，PS，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度s。２、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（S）之比称为空气的相对湿度φ＝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，并不能说明其饱和程度。如18℃的空气，饱和水蒸气量为ρsat=0.01536kg/m3，在30℃时，ρsat=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。所以此时在实际上常用相对湿度来表示空气的干湿程度。物理参数13/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论13Φ愈小空气愈干爆，φ＝０为干空气；φ愈大空气愈潮湿，φ＝１为饱和空气。温度下降，其相对湿度增大，冷却到φ=1时的温度称为露点例如：甲地：t=18℃，V＝0.0107Kg/m3,乙地：t=30℃，V＝0.0154Kg/m3解：查附表当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。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？物理参数14/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论14物理参数15/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论151kg理想气体３、含湿量含有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=V／d,干空气的气体常数Rd=287.041J/（kg*k）水蒸气的气体常数Rd=461.393J/（kg*k）V=φPs/461Td=(P-φPs)/287Td=0.622φPs/(P-φPs)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。i=id+d•iV=1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓-湿图（I-d)RTPρRTρ1PTnR'PVnmol理想气体物理参数16/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论16水蒸气分压力（×102Pa）含湿量（g/kg干空气）温度℃焓（kJ/kg干空气）121314222324510150201512相对湿度Φ=60%Φ=100%P=101325t=20Φ=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物理参数17/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论17五、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。根据牛顿内摩擦定律有：式中：μ－－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要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低VydydvSF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。物理参数18/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论18六、密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与P、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：V=φPs/461Td=(P-φPs)/287T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，Ｐsat为饱和水蒸汽压，单位：Pa；φ为相对湿度；Ｔ为空气绝对温度，T=t+273,K。式中：P为大气压，Ｐsat为饱和水蒸汽压，单位：mmHg。注意：Ｐ和Ｐsat单位一致。)(.PP378.01287TP461TP287TPPPP.TPsatsatsatsat378010034840)(..PPTPsat37801464570RTPvd物理参数19/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论19八、密度计算例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：1000170.3780.9821010.003484(1)1000171.1863)(.PP.TPsat378010034840经查可知：φ=98%，Psat=2102Pa物理参数20/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论20物理参数21/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参数基本理论21干温度td=20.6℃,湿温度为tw=16.3℃，φ=64.5%物理参数22/60河南理工大学安全学院能量压力矿井应用目录能量方程物理参