第三节 矿井风流热湿计算
矿井风流热湿计算是矿井空调设计的基础，是采取合理的空调技术措施的依据。
一、地表大气状态参数的确定
地表大气状态参数一般按下述原则确定：
1.温度采用历年最热月月平均温度的平均值；
2.相对湿度采用历年最热月月平均相对湿度的平均值；
3.含湿量采用历年最热月月平均含湿量的平均值。
这些数值均可从当地气象台、站的气象统计资料中获得。
二、井筒风流的热交换和风温计算
研究表明，在井筒通过风量较大的情况下，井筒围岩对风流的热状态影响较小，决定井筒风流热状态的主要因素是地表大气条件和风流在井筒内的加湿压缩过程。根据热力学第一定律，井筒风流的热平衡方程式为：
(8-3-1)
在一定的大气压力下，风流的含湿量与风温呈近似的线性关系：
(8-3-2)
式中 ─风流的相对湿度，
；
─风流温度，
；
─大气压力，
；
、
、
─与风温有关的常数，由表8-3-1确定。
令 ：
则：
(8-3-3)
将式(8-3-3)代入式(8-3-1)可解得：
(8-3-4)
组合参数(只是为了简化公式而设的，没有任何物理意义)：
；
/
；
/
；
/
。 (8-3-4)
即为井底风温计算式。
、
─井口、井底的大气压力，对于井底大气压力可近似
按式（8-3-5）推算：
，
(8-3-5)
─压力梯度，其值为
；
、
── 井口、井底空气的相对湿度，
。
当井筒中存在水分蒸发时，由于水分蒸发吸收的热量来源于风流下行压缩热和风流本身，这部分热量将转化为汽化潜热，所以当风流沿井筒向下流动时，有时井底风温不仅不会升高，反而还可能有所降低。
表8-3-1 b、ε、Pm参数取值表
| 风温/C | |||
1 11 17 29 35 | 61.978 50.274 144.303 197.838 268.328 393.015 | 9.324 19.979 -3.770 -8.988 -14.288 -22.958 | 1016.12 734.16 1459.01 1053.36 2108.05 1522.08 3028.41 2187.85 4281.27 3105.55 6497.05 4692.24 |
三、巷道风流的热交换和风温计算
风流经过巷道时，由于与巷道环境间发生热湿交换，使风温随距离逐渐上升。其热平衡方程式为：
(8-3-6)
式中 ─风流的质量流量，
；
─风流与围岩间的不稳定换热系数，
/
；
─巷道周长，
；
─原始岩温，
；
、
─分别为热、冷管道的传热系数，
/
；
、
─分别为热、冷管道的周长，
；
、
─分别为热、冷管道内流体的平均温度，
；
─巷道中水沟盖板的传热系数，
/
；
─水沟宽度，
；
─水沟中水的平均温度，
；
─巷道中各种绝对热源的放热量之和，
；
─巷道的长度，
。
式(8-3-6)通过变换整理可改写成：
(8-3-7)
由式(8-3-7)可解得：
(8-3-8)
其中组合参数：
；
，
，
，
;
;
;
,
;
如果巷道中的相对热源只有围岩放热，则式(8-3-8)还可简化为：
(8-3-9)
四、采掘工作面风流热交换与风温计算
1.采煤工作面
风流通过采煤工作面时的热平衡方程式可表示为
(8-3-10)
式中 ─运输中煤炭放热量，
；其余符号意义同前。将式(8-2-6)和式(8-3-3)代入式(8-3-10)，经整理即可得出采煤工作面末端的风温计算式，其形式和式(8-3-9)完全一样，只是其中的组合参数略有不同。
对于采煤工作面：
式中 ─每小时煤炭运输量，
，；
─工作面日产量，
；
─每日运煤时数，
。
当要求采煤工作面出口风温不超过《规程》规定时，其入口风温可按
下式确定：
(8-3-11)
2.掘进工作面
风流在掘进工作面的热交换主要是通过风筒进行的，其热交换过程一般可视为等湿加热过程。现以如图8-3-1所示的压入式通风为例进行讨论。
(1)局部通风机出口风温确定
风流通过局部通风机后，其出口风温一般可按下式确定：
(8-3-12)
─局部通风机放热系数，可取
；
─局部通风机入口处巷道中的风温；
；
─局部通风机额定功率，
；
─局部通风机的吸风量，
。
(2)风筒出口风温的确定：
根据热平衡方程式，风流通过风筒时，其出口风温可按下式确定：
(8-3-13)
其中：
对于单层风筒：
/
(8-3-14)
对于隔热风筒：
/
(8-3-15)
式中 ─风筒外平均风温，
；
─风筒入口处标高，
；
─风筒出口处标高，
；
─风筒的传热系数，
/
；
─风筒的传热面积，
；
─风筒的有效风量率,；
─风筒出口的有效风量，
；
─风筒外对流换热系数，
/
；
(8-3-16)
─风筒内对流换热系数，
/
；
(8-3-17)
─隔热风筒外径，
；
─风筒内径，
；
─隔热层的导热系数，
；
─巷道中平均风速；
，
(8-3-18)
─风筒内平均风速；
，
(8-3-19)
─掘进巷道的断面积，
。
(3)掘进头风温确定
风流从风筒口射出后，与掘进头近区围岩发生热交换，根据热
平衡方程式，掘进头风温可按下式确定：
(8-3-20)
其中： ;
;
;
式中 ─掘进头近区围岩不稳定换热系数，
/
；
─掘进头近区围岩散热面积，
；
─掘进头近区局部热源散热量之和，
。
其余符号意义同前。
掘进头近区围岩不稳定换热系数可按下式确定：
,
/
(8-3-21)
其中：
;
;
─岩石的导热系数，
；
─岩石的导温系数，
/
；
─掘进头平均通风时间，
；
─掘进头近区长度，
。
五、矿井风流湿交换
当矿井风流流经潮湿的井巷壁面时，由于井巷表面水分的蒸发或凝结，将产生矿井风流的湿交换。根据湿交换理论，经推导可得
出井巷壁面水分蒸发量的计算公式为：
，
(8-3-22)
式中 ─井巷壁面与风流的对流换热系数；
，
/
(8-3-23)
─水蒸气的汽化潜热，
；
─巷道中风流的平均温度，
；
─巷道中风流的平均湿球温度，
；
─巷道周长，
；
─巷道长度，
；
─风流的压力，
；
─标准大气压力，
，
─巷道中平均风速，
；
─巷道壁面粗糙度系数，光滑壁面
；主要运输大巷
；运输平巷
；工作面
。
由湿交换引起潜热交换，其潜热交换量为：
，
(8-3-24)
式中符号意义同前。
必须指出：公式(8-3-22)是在井巷壁面完全潮湿的条件下导出的，所以由该式计算出的是井巷壁面理论水分蒸发量。实际上，由于井巷壁面的潮湿程度不同，其湿交换量也有所不同，故在实际应用中应乘以一个考虑井巷壁面潮湿程度的系数，称为井巷壁面潮湿度系数，其定义为：井巷壁面实际的水分蒸发量与理论水分蒸发量的比值，用f表示，即：
(8-3-25)
该值可通过实验或实测得到。求得井巷壁面的潮湿度系数后，即可求得
风流通过该段井巷时的含湿量增量： (8-3-26)
由含湿量增量，即可求得该段井巷末端风流的含湿量和相对湿度： (8-3-27)
(8-3-28)
式中 ─水蒸气分压力，可用下式计算：
,
(8-3-29)
─饱和水蒸气分压力，可用下式计算：
(8-3-30)
