风流能量与压力

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做功的机械能。

2．1．1 风流的能量与压力

2．1．1．1 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做无秩序的热运动。 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做功的机械能叫静压能。 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。 静压也可称为静压能。

（2）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做功的静压能的多少。如风流的压力为Pa，则指风流1m3具有1．01332×103J的静压能。

（3）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）而测得的压力称为绝对压力，用P表示。

b．相对压力：以当地当时同标高的大气压力为测算基准（零点）测得的压力称为相对压力，即通常所说的表压力，用h表示。

风流的绝对压力（Pi）、相对压力（h）和与其对应的大气压（Po）三者之间的关系如图2．1所示：

hi＝Pi-Po（2．1）

图2．1 绝对压力、相对压力及其对应的大气压的关系

Pi与hi比较：

a．绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分；

b．同一断面上各点风流的绝对静压随高度的变化而变化，而相对静压与高度无关；

c．Pi可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压（Poi）。

2．1．1．2 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的物体从某一基准面提高Z，就要对物体克服重力做功mg Z，物体因而获得同样数量的重力位能mg Z。 即

Epo＝mg 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。 在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。 如图2．2中的1—2两断面之间的位能差：

（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

因为Epo2＝0（2—2断面为基准面）

又Epo1＝ρ12·g·Z12，

所以P2＝Epo1＋P1＝ρ12·g·Z12＋P1

说明：①位能与静压能可以互相转化。

②在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。

图2．2 位能计算图

（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，故不能像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，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。

2．1．1．3 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，Pa；其动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用符号hv表示，单位为Pa。

（2）动压的计算

单位体积空气所具有的动能为

式中 ρi——i点的空气密度，kg／m3；

vi——i点的空气流速，m／s；

Evi——对外所呈现的动压hvi，其值相同。

（3）动压的特点

a．只有做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。

2．1．1．4 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（Pti）

Pti＝Pi＋hvi（2．5）

b．相对全压（hvi）

hti＝hi＋hvi＝Pti-Poi（2．6）

说明：①相对全压有正负之分；

②无论正压通风还是负压通风，Pti＞Pi，hvi＞hi。

2．1．2 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（1m3）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为

hvi＝Pti-Pi（2．7）

hvi、hi和hti三者之间的关系为

hti＝hi＋hvi（2．8）

点压力的相互关系如图2．3所示。

图2．3 点压力分布图

压入式通风（正压通风）：风流中任一点的相对全压恒为正。

因为 Pti＞Poi；Pi＞Poi

所以 hi＞0，hti＞0且hti＞hi

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。

因为 Pti＜Poi；Pi＜Poi

所以 hti＜0且hti＞hi，但＞

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

抽出式通风的实质是使风机出口风流的能量降低，即出口风流的绝对压力小于风机进口的压力。

例2．1 测得风筒内某点i相对压力，如图2．4所示，求动压，并判断通风方式。 （可不考虑单位）

图2．4 点压力分布图

解 从图中可见接皮管的U形管液面高差，外界大气压大于风筒内风流点压力，所以通风方式为抽出式通风。

因为 hs＝ht＋hv

所以代入数据得相对静压为-100Pa；相对全压为-10Pa；动压为90Pa。

例2．2 抽出式矿井中，井下某一点巷道空气中测得空气的静压为96840Pa，速压为360Pa，地面同一标高的大气压力为98760Pa。 求该点空气的绝对全压和相对全压。

解 抽出式通风又称为负压通风。

因为 ht＝Po-Pt

所以代入数据相对静压ht＝98760-96840

得相对静压ht为-80Pa。

因为 h＝ht＋hv

所以代入数据相对全压h＝-80＋360

得相对全压h为280Pa。

因为 P＝Pt＋hv

所以代入数据绝对全压P＝96840＋360

得绝对全压P为97200Pa。

所以综上所述，该点空气的绝对全压、相对全压和相对静压分别为97200Pa、280Pa、-80Pa。

例2．3 压入式通风风筒中的某点i的hi＝1000Pa，hvi＝150Pa，风筒外与i点同标高的Poi＝101332Pa，求：i点的绝对静压Pi、绝对全压Pti和相对全压hui。

解 压入式通风又称为正压通风。

Pi＝hi＋Poi

所以代入数据绝对静压Pi＝101332＋1000

得绝对静压Pi为102332Pa。

hti＝hi＋hvi

所以代入数据相对全压hti＝1000＋150

得相对全压hti为1150Pa。

Pti＝Poi＋hvi＝Pi＋hvi

所以代入数据绝对全压Pti＝102332＋150

得绝对全压Pti为102482Pa。

所以综上所述，i点空气的绝对全压、相对全压和绝对静压分别为102482Pa、1150Pa、102332Pa。

2．1．3 风流点压力的测定

井巷风流断面上任一点的压力称为风流的点压力。 相对于某基准面来说，点压力也有静压、动压和位压；就其形成的特征来说，点压力可分为静压、动压和全压；根据压力的两种测算基准，静压又分为绝对静压（Pt）和相对静压（ht）；全压也分为绝对全压（P）和相对全压（h）；动压永远为正值，无绝对、相对压力之分，用hv表示。

需要说明的是，同一巷道或通风管道断面上，各点的点压力是不等的。 在水平面上，各点的静压、位压均相同，动压则是中心处最大；在垂直面上，从上到下，静压逐渐增大，位压逐渐减小，动压也是中心处最大。 因此，从断面上的总压力来看，一般中心处的点压力最大，周壁的点压力最小。

1．矿井主要压力测定仪器仪表

①绝对压力测量：空盒气压计、BJ-1型矿用精密数字气压计等。

②压差及相对压力测量：U形压差计、倾斜压差计和皮托管。

③感压仪器：皮托管，承受和传递压力，“-”“＋”测压。

2．压力测定

（1）绝对静压的测定

通常使用空盒气压计测定矿内外空气绝对静压。

空盒气压计又称为无液气压计，它由一个被抽成真空的皱纹状金属空盒与连接在盒上带指针的传动机构所构成。 由于盒内抽成真空（实际上还有少许余压），当大气压力作用于盒面上时，盒面被压缩，产生轴向变形，通过拉杆和传动机构使指针偏转，指示空气。

使用时，气压计水平放在测点处，并轻轻敲击仪器外壳，以消除传动机构的摩擦误差；由于该仪器有滞后现象，因此在测压地点一般要放置3～5min（从一点移到另一点，若两点压差为2668～5337Pa，则需放置20min）方可读数；读数时，视线与刻度盘平面保持垂直。

为了提高测定精度，读数值应按厂方提供校正表（或曲线）进行刻度、温度和补偿校正。每台仪器出厂检定书中均附有这3个校正值。其中温度校正值Pt用式（2．10）计算：

Pt＝ΔPt·t，Pa （2．10）

式中 ΔPt——温度变化1℃时的气压校正值，Pa／℃；

t——读数时仪器所在的环境温度，℃。

例如，空盒气压计的读数为101658Pa，温度为18．5℃。 仪器检定证书内的刻度校正值表中：101325Pa时，刻度校正值为0．0，102657Pa时为-40Pa；温度变化1℃时的气压校正值为4Pa／℃；补充校正值为-80Pa。 用内插法求得刻度校正值为-10Pa，温度校正值ΔPt＝4×18．5＝74Pa，故得实际大气压力为：P＝101658-10＋74-80＝101642Pa。

（2）相对静压的测定

相对静压的测定通常使用U形压差计、倾斜压差计和皮托管。

U形压差计是使用比较普遍的压差计。 在U形玻璃管的两个管口分别连接两根皮管，引至需要测定压差的两点。U形管的两支玻璃管水面的高差，即两点的风流压差，以mm H2O表示其单位。 必须注意，U形管的刻度尺一定要安放垂直。 测定时，若水面振动较大，可用一只小棉花球塞入胶皮管或用一根内径很小的玻璃管接于胶皮管与U形管之间。

倾斜压差计是一种可见液体弯面的多测量范围的液体压差计，其原理如图2．5所示。 较高的压力和宽容器接通，较低的压力和倾斜管接通。 假设在所测压力的作用下，与水平线之间有倾斜角为α的管内的工作液体在垂直方向升高了一个高度h1即（aa1），相应地在倾斜方向上升l（即bb1），而在宽广容器内的液面下降h2。这时在仪器内工作液体液面的高差可表示为

h＝h1＋h2

并且h1＝lsinα

假设S1为管子的断面积，S2为宽容器的断面积，那么：l S1＝S2h2

也就是在倾斜管内所增加的液体体积为l S1，等于宽广容器内所减少的液体体积S2h2。即

把以上3式整理可得到：

当所使用的液体的相对密度为γ时，将倾斜读数l换算为垂直水柱h（mm H2O），则

令，称为倾斜压差计校正值或倾斜系数。 将其注明在该仪器的弧形支架上。 则

图2．5 倾斜压差计

h＝kl （2．13）

使用倾斜压差计测压时，应将倾斜测压管置于所需的倾斜角，把仪器调整水平，将三通旋塞旋钮带测压位置，然后取掉胶皮管与三通旋塞的接头，用嘴轻吸，使倾斜测量管液面上升到接近其顶端，排除积存于仪器中的气泡，反复几次，直到排尽为止。 转动零位调整旋钮，将倾斜测量管内的液面调到“0”位；将三通旋塞转到测压位置，就可以用来测量压差。

皮托管是一支双层金属管，两层管互不相通，内管与管嘴不通。 外管壁上开有4～6个小孔与标有“-”的管脚相通，用来测定静压。 内管与标有“＋”的管脚相通，用来测定风流的全压。 当管嘴正对风流时，内管受全压作用，外管只受静压作用，则U形管的液面差即为动压。

测两点间的风流压差时，应分别在两点安装皮托管，如图2．6所示。 使皮托管嘴对正风流，管脚用胶皮管与U形管或倾斜压差计相接。 若胶皮管都与两支皮托管的“＋”号脚相接，所测之值为全压值；与两支皮托管的“-”号脚相接，所测之值为静压值。

（3）绝对压力的测定

BJ-1型矿用精密数字气压计，是一种便携式本质安全型气压计。 它既可以测定矿井的绝对压力，也可测定相对压力或压差。 测量标高范围为-1500～2500m，量程为基准气压P0±200h Pa，相对压力或压差为±2000Pa（可扩量程±3000Pa），绝对压力分辨率为0．98Pa。

图2．6 点压力测定

仪器由气压探头组件、面板组件、电源和机壳、机箱等组成。 其中气压感受装置是由真空波纹管和弹性元件构成，气压探头感受的气压及其变化量，经机／电转换、放大和调节，最终以数字显示出来。

仪器使用方法：

①打开总开关，按下“电压”按键，显示7～11V可正常工作，否则应充电。

②测定之前，要先开机预热30min。

③绝对压力测定，进入测点，按下面板上的“绝对”压力键，标高键置于“0”挡，显示值稳定后，方可读数，绝对压力按式（2．14）计算：

P＝P0±B （2．14）

式中 P0——仪器的基准气压值，由厂方调定，一般为1000h Pa；

B——仪器显示数值，单位为h Pa；加或减由显示符号而定。

④压差测量：首先在测段始点按③所述方法测定当地大气压值；然后按下“相对”键，再根据现场标高按下相应的标高键，调“调基”电位器，使显示数字为零（当测段两点压差不超过量程时，也可记下显示数值）。 将仪器移至测段终点，其显示值（与前一点的示值之差）即为测段的压差，单位为Pa。

使用注意事项：

a．仪器闲置不用时，一定要关闭电源，且应定期充电；

b．仪器的进气口避免迎着风流，要放置平稳，待稳定一段时间后再读数；

c．选两台温度特性相近的仪器配对使用为宜。