井下空气压力测定与分析

井下空气压力测定与分析1 测定并分析空气压力 一、空气的主要物理参数一、空气的主要物理参数（一）空气的密度（一）空气的密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用来表示。即：（3-1）式中 空气的密度，kg/m3；M空气的质量，kg；V空气的体积，m3。VM=在标准大气状况下（P101325Pa，tO，0%），干空气的密度为干空气的密度为1.293 kg/m3。湿空气密度的计算公式为：湿空气密度的计算公式为：湿0.003484 （1TPPP饱式中 P空气的压力，Pa；T热力学温度（T273+t），K；t 空气的温度，；相对湿度，%；P饱温度为t（）时的饱和水蒸气压力，pa。由上式可见，压力越大，温度越低，空气密度越大。当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。一般将空气压力为101325Pa，温度为20，相对湿度为60%的矿井空气称为标准矿井空气，其密度为标准矿井空气，其密度为3 3。（二）空气的比容（二）空气的比容 单位质量空气所占有的体积叫空气的比容，用单位质量空气所占有的体积叫空气的比容，用（m m3 3/kg/kg）表示，）表示，比容和密度互为倒数比容和密度互为倒数，它们是一个状，它们是一个状态参数的两种表达方式。即：态参数的两种表达方式。即：1MV（三）空气的压力（压强）三）空气的压力（压强）气体作用在单位面积上的力称为空气的压力，用气体作用在单位面积上的力称为空气的压力，用P P表示表示。空气压力的单位为帕斯卡（Pa），简称帕，1 Pa=1N/m2。压力较大时还有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=106 Pa。有的压力仪器也用百帕（hPa）表示，1hPa=100Pa。地面空气压力习惯称为大气压。由于地球周围大气层的厚度高达数千千米，越靠近地表空气密度越大，空气分子数越多，分子热运动的平均动能越大，所以大气压力也越大。此外，大气压力还与当地的气候条件有关，即便是同一地区，也会随季节不同而变化，甚至一昼夜内都有波动。（四）空气的粘性四）空气的粘性 当流体以任一流速在管道中流动时，靠近管道中心的流层流速快，靠近管道壁的流层流速慢，相邻两流层之间的接触面上便产生粘性阻力（内摩擦力），以阻止其相对运动，流体具有的这一性质，称为流体的粘性。在矿井通风中，用动力粘性系数和运动粘性系数（m2/s）表示空气粘性大小。流体的粘性随温度和压力的变化而变化。对空气而言，粘性系数随温度的升高而增大，压力对粘性系数的影响可以忽略。当温度为20，压力为时，空气的动力粘性系数=1.80810-5 Pas；运动粘性系数=1.50110-5 m2/s。二二 、风流的能量及压力、风流的能量及压力 矿井通风系统中，风流在井巷某断面上所具有的总机械矿井通风系统中，风流在井巷某断面上所具有的总机械能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做风流的能量风流的能量。单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力压力。能量与压力即有区别又有联系，除了内能是以热的形式能量与压力即有区别又有联系，除了内能是以热的形式存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也就就是说井巷任一通风断面上存在的是说井巷任一通风断面上存在的静压能、动能静压能、动能和和位能位能可用可用静压、动压、位压静压、动压、位压来呈现。来呈现。（一）静压能一）静压能静压静压 1 1、静压能与静压的概念、静压能与静压的概念 由分子热运动理论可知，不论空气处于静止状态还是流由分子热运动理论可知，不论空气处于静止状态还是流动状态，空气分子都在做无规则的热运动。这种由空气分子动状态，空气分子都在做无规则的热运动。这种由空气分子热运动而使单位体积空气具有的对外做功的机械能量叫热运动而使单位体积空气具有的对外做功的机械能量叫静压静压能，能，用用E E静静表示（表示（J/mJ/m3 3）。）。空气分子热运动不断地撞击器壁所呈现的压力（压强）空气分子热运动不断地撞击器壁所呈现的压力（压强）称为静压力，简称称为静压力，简称静压静压，用，用P P静静表示（表示（N/mN/m2 2，即，即PaPa）。）。由于静压是静压能的体现，二者分别代表着空气分子热由于静压是静压能的体现，二者分别代表着空气分子热运动所具有的外在表现和内涵，所以在运动所具有的外在表现和内涵，所以在数值上大小相等数值上大小相等，静，静压是静压能的等效表示值。压是静压能的等效表示值。2 2、静压的特点、静压的特点 （1）只要有空气存在，不论是否流动都会呈现静压；（2）由于空气分子向器壁撞击的机率是相同的，所以风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用于器壁；（3）静压是可以用仪器测量的，大气压力就是地面空气的静压值.3 3、空气压力的两种测算基准、空气压力的两种测算基准（1）绝对压力：以真空为基准测算的压力称为绝对压力，用P表示。由于以真空为零点，有空气的地方压力都大于零，所以绝对压力总是正值。（2）相对压力：以当地当时同标高的大气压力为基准测算的压力称为相对压力，用h表示。对于矿井空气来说，井巷中空气的相对压力h就是其绝对压力P与当地当时同标高的地面大气压力P0的差值。（二）动能二）动能动压动压 1 1、动能与动压的概念、动能与动压的概念 空气做定向流动时具有动能，用E动表示（J/m3），其动能所呈现的压力称为动压（或速压），用h动（或h速）表示，单位Pa。2 2、动压的计算式、动压的计算式 设某点空气密度为（kg/m3），定向流动的流速为v（m/s），则单位体积空气所具有的动能为E动，E动对外所呈现的动压为：h动动221vPa 3 3、动压的特点、动压的特点 （1）只有做定向流动的空气才呈现出动压；（2）动压具有方向性，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流动方向的平面承受的动压最大，平行流动方向的平面承受的动压为零；（3）在同一流动断面上，因各点风速不等，其动压各不相同；（4）动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零。（三）位能三）位能位压位压 1、位能与位压的概念 单位体积空气在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一种能量叫位能，用E位（J/m3）表示。位能所呈现的压力叫位压，用P位（Pa）表示。需要说明的是，位能和位压的大小，是相对于某一个参照基准面而言的，是相对于这个基准面所具有的能量或呈现的压力。2 2、位压的计算式、位压的计算式 VMgZP1212位12gZ12，Pa 3 3、位压的特点、位压的特点（1）位压只相对于基准面存在，是该断面相对于基准面的位压差。基准面的选取是任意的，因此位压可为正值，也可为负值。为了便于计算，一般将基准面设在所研究系统风流的最低水平。（2）位压是一种潜在的压力，不能在该断面上呈现出来。在静止的空气中，上断面相对于下断面的位压，就是下断面比上断面静压的增加值，可通过测定静压差来得知。（3）位压和静压可以相互转化。当空气从高处流向低处时，位压转换为静压；反之，当空气由低处流向高处时，部分静压将转化成位压。（4）不论空气是否流动，上断面相对于下断面的位压总是存在的。（四）全压、势压和总压力四）全压、势压和总压力 矿井通风中，为了研究方便，常把风流中某点的静压与动压之和称为全压；将某点的静压与位压之和称为势压；把井巷风流中任一断面（点）的静压、动压、位压之和称为该断面（点）的总压力。井巷风流中两断面上存在的能量差即总压力差是风流之所以能够流动的根本原因，空气的流动方向总是从总压力大处流向总压力小处，而不是取决于单一的静压、动压或位压的大小。三、空气压力的测定三、空气压力的测定（一）测压仪器（一）测压仪器 在矿井通风测量仪器中，测定空气压力的便携式仪 器有三类：1）测量绝对压力绝对压力的气压计气压计；2）是测量相对压力相对压力的压差计压差计和皮托管皮托管；3）可同时测定绝对压力、相对压力绝对压力、相对压力的精密气压计精密气压计或 矿井通风综合参数检测仪矿井通风综合参数检测仪等。1、绝对压力测量仪器 最常用的是最常用的是空盒气压计空盒气压计 空盒气压计空盒气压计 常用的DYM3型空盒气压计的测压范围为80000108000Pa，最小分度为10Pa，经过校正后的测量误差不大于200Pa。因精度较低，一般只适用于粗略测量和空气密度测算。2 2、相对压力测量仪器、相对压力测量仪器 测量井巷中（或管道内）某点的相对压力或两点的压力差时，一般需要用皮托管配合压差计来进行。压差计有U形压差计、单管倾斜压差计、补偿式微压计等。1 1）皮托管）皮托管 皮托管是承受和传递压力的工具。它由两个同心圆管相套组成，其结构如图所示。内管前端有中心孔，与标有“+”号的接头相通；外管前端侧壁上分布有一组小孔，与标有“-”号的接头相通，内外管互不相通。U型倾斜压差计型倾斜压差计2 2）U U形压差计形压差计有U形垂直压差计和U形倾斜压差计两种，构造如图所示。单管倾斜压差计单管倾斜压差计3 3）单管倾斜压差计）单管倾斜压差计 补偿式微压计补偿式微压计4 4）补偿式微压计）补偿式微压计 矿井通风参数检测仪矿井通风参数检测仪3 3、矿井通风综合参数检测仪、矿井通风综合参数检测仪 技术参数技术参数测量范围测量范围测量分辨率测量分辨率测量精度测量精度绝对压力（绝对压力（PaPa）8000012000010100压差（压差（PaPa）29230.989.8温度（温度（）-30+400.10.5相对湿度（相对湿度（%）50991.04.0风速（风速（m/sm/s）0.6150.10.64(0.22%风速值)415(0.52%风速值)时间时间月、日、时、分、秒JFYJFY型矿井通风综合参数检测仪技术参数表型矿井通风综合参数检测仪技术参数表（二）风流点压力的测量及压力关系（二）风流点压力的测量及压力关系1、风流点压力、风流点压力 点压力点压力静压静压动压动压全压全压绝对静压（绝对静压（P静静)相对静压（相对静压（h静静）h动动（无绝对、相对之分）（无绝对、相对之分）绝对全压（绝对全压（P全全）相对全压（相对全压（h全全）2 2、绝对压力的测量及其相互关系、绝对压力的测量及其相互关系 1 1）绝对静压）绝对静压P P 静静的测定的测定 井巷风流中某点的绝对静压一般用空盒气压计、精密气压计或矿井通风综合参数测定仪测定。2 2）动压）动压h h 动动的测定的测定 有两种方法：（1）在通风井巷中，一般用风表测出该点的风速，利用式（2-9）计算动压。（2）在通风管道中，可利用皮托管和压差计直接测出该点的动压。如图所示。3 3）绝对全压的测定）绝对全压的测定 测出某点的绝对静压P静和动压h动之后，用下式计算该点的绝对全压P全：不论抽出式通风还是压入式通风，某一点的绝对全压等于绝对静压与动压的代数和。因动压为正值，所以绝对全压大于绝对静压。P P全全P P静静h h动动3 3、相对压力的测量及其相互关系、相对压力的测量及其相互关系 风流中某点的相对压力常用皮托管和压差计测定，其布置方法如图所示。左图为压入式通风，右图为抽出式通风。1 1）压入式通风中相对压力的测量及相互关系）压入式通风中相对压力的测量及相互关系相对静压：h静P静P0 相对全压：h全P全P0 动 压：h动P全P静 相对全压：h全P全P0 （P静h动）P0 （P静P0）h动 h静h动 结论：就相对压力而言，压入式通风风流中某点的相对全结论：就相对压力而言，压入式通风风流中某点的相对全压等于相对静压与动压的代数和。压等于相对静压与动压的代数和。2 2）抽出式通风中相对压力的测量及相互关系）抽出式通风中相对压力的测量及相互关系h h静静P P0 0P P静静 或或 -h h静静P P静静P P0 0h h全全P P0 0P P全全 或或 -h h全全P P全全P P0 0h h动动P P全全P P静静 h h全全P P0 0P P全全 P P0 0（P P静静h h动动）（P P0 0P P静静）h h动动 h h静静h h动动 结论：就相对压力而言，抽出式通风风流中某点的结论：就相对压力而言，抽出式通风风流中某点的相对全压等于相对静压减去动压。相对全压等于相对静压减去动压。例1、在压入式通风风筒中，测得风流中某点的相在压入式通风风筒中，测得风流中某点的相对静压对静压h h静静1200Pa1200Pa，动压，动压h h动动100Pa100Pa，风筒外与，风筒外与该点同标高的大气压力该点同标高的大气压力P P0 098000Pa98000Pa，求该点的，求该点的P P静静、h h全全、P P全全分别是多少？分别是多少？解：解：（1）P静P0h静98000120096800 Pa （2）h全h静h动12001001100 Pa （3）P全P0h全98000110096900 Pa 或P全P静h动9680010096900 Pa复习思考题复习思考题1、什么是空气的密度？压力和温度相同时，为什么湿空气比干空气轻？2、什么叫空气的压力？单位是什么？地面的大气压力与哪些因素有关？3、什么叫空气的粘性？用什么参数表示粘性大小？粘性对空气流动起什么作用？4、何谓空气的静压、动压、位压？各有何特点？5、什么叫绝对压力？相对压力？正压通风？负压通风？6、什么叫全压、势压和总压力？7、在同一通风断面上，各点的静压、动压、位压是否相同？通常哪一点的总压力最大？8、为什么在压入式通风中某点的相对全压大于相对静压；而在抽出式通风中某点的相对全压小于相对静压？习习 题题1、井下某地点有两道单扇风门，测得每道风门内外压差为800Pa，风门门扇的尺寸高为，宽为，门扇把手距门轴，问至少用多大的力才能把门扇拉开？2、测得某回风巷的温度为20，相对湿度为90%，绝对静压为102500Pa，求该回风巷空气的密度和比容。3、用皮托管和压差计测得通风管道内某点的相对静压h静250Pa，相对全压h全200 Pa。已知管道内的空气密度，试判断管道内的通风方式并求出该点的风速。4、在压入式通风管道中，测得某点的相对静压h静550Pa，动压h动100 Pa，管道外同标高的绝对压力P098200Pa。求该点的相对全压和绝对全压。5、两个不同的管道通风系统如图a、b所示，试判断它们的通风方式，区别各压差计的压力种类并填涂液面高差和读数