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1、1,安徽理工大学能源与安全学院 安全工程系,通 风 安 全 学第二章 矿井空气流动的基本理论,2,本章主要内容,第一节 空气主要物理参数 一、温度 二、压力（压强） 三、密度、比容 四、粘性 五、湿度 六、焓 第二节 风流能量与压力 一、风流能量与压力 二、风流点压力及其相互关系,3,本章主要内容,第三节 通风能量方程 一、空气流动连续性方程 二、可压缩流体能量方程 第四节 能量方程在矿井通风中的应用 一、水平风道的通风能量（压力）坡度线 二、通风系统风流能量（压力）坡度线 三、通风系统网络相对压能图和相对等熵静压图,4,本章重点和难点,本章重点： 1、空气的物理参数； 2、风流的能量与点压力
2、； 3、能量方程； 4、能量方程在矿井中的应用。 本章难点： 1、点压力之间的关系； 2、能量方程及其在矿井中的应用。,6,一、温度 温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位K，摄氏温标： T=273.15+t,第一节 空气主要物理参数,7,第一节 空气主要物理参数,二、压力（压强） 1、定义：空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。 2、压头：如果将密度为 的某液体注入到一个断面为A的垂直的管中，当液体的高度为 h 时，液体的体积为： V = hA m3,8,第一节 空气主要物
3、理参数,根据密度的定义，这时液体的质量为： mass=V =hA kg 液体的重力为：F=hAg N 根据压力的定义，有： P=F/A=gh N/m2 or Pa 因此，如果液体的密度已知，h就可代表压力。,9,第一节 空气主要物理参数,3、矿井常用压强单位： Pa、Mpa、mmHg、mmH20、mmbar 、 bar、atm 等。 换算关系： 1 atm = 760 mmHg = 1013.25 mmbar = 101325 Pa 1 mmbar = 100 Pa = 10.2 mmH20 1 mmHg = 13.6mmH20 = 133.32 Pa,10,第一节 空气主要物理参数,三、湿度
4、 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。 、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,11,第一节 空气主要物理参数,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 。,12,第一节 空气主要物理参数,、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
5、度下的饱和水蒸汽含量（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。,愈小 空气愈干爆， 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。,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。,13,第一节 空气主要物理参数,例如：甲地：t= 18 ，V0.0107 Kg/m3 乙地：t= 30 ，V0.0154 Kg/m3 解：查附表 当t为18，s0.0154 Kg/m3 ， 当t为30，s 0.03037 Kg/m3， 甲地： VS0.7070 % 乙地： VS
6、0.5151 % 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？,14,第一节 空气主要物理参数,、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。,将 ， 代入得：,15,第一节 空气主要物理参数,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，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。,夏,冬,16,四、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。
7、 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),第一节 空气主要物理参数,17,第一节 空气主要物理参数,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：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。,18,第一节 空气主要物理参数,运动粘度为： 用符号(m2s) 温度是影响流体
8、粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低。,19,第一节 空气主要物理参数,六、密度 单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与P、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： kg/m3 式中： P为大气压，sat为饱和水蒸汽压，单位：Pa； 为相对湿度；为空气绝对温度，T= t + 273 , K。,kg/m3 式中：P为大气压，sat为饱和水蒸汽压，单位：mmHg。 注意：和sat 单位一致。 空气比容：=V/M=1/ ,20,第一节 空气主要物理参数,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
9、求对井下空气的状态变化给予具体分析。,21,第一节 空气主要物理参数,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：,22,第一节 空气主要物理参数,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：,23,第一节 空气主要物理参数,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成正比变化的过程。 对外界作功为：
10、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：,24,第一节 空气主要物理参数,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：,25,第一节 空气主要物理参数,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：,26,第一节 空气主要物理参数,4) 绝热过程 绝热过程是空气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
11、。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：,27,第一节 空气主要物理参数,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：,28,第一节 空气主要物理参数,6)实际气体的状态方程 实验证明：只有在低压下，气体的性
12、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Z1，实际气体的Z一般不等于1，而是Z1或Z1。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。,29,第二节 风流的能量与压力,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
13、分转化的能够对外作功的机械能叫静压能，Jm3，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也可称为是静压能，值相等。,30,第二节 风流的能量与压力,（）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。,31,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
14、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 P0,32,Pi 与 hi 比较：(1) Pi0， hi有正负之分； (2) 同一断面Pi随高度而变化，hi与高度无关。 3) Pi P0i, Pi =P0i, Pi P0i,33,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
15、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（kg）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。,34,第二节 风流的能量与压力,（）位能计算 重力位能的计算应有一个参照基准面。 Ep012=i gdzi 如下图 1两断面之间的位能差：,35,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
16、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： 、位能与静压能之间可以互相转化。 、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。,36,第二节 风流的能量与压力,（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
