浅谈扩散通风及应用

浅谈扩散通风及其应用

内容提要：本文介绍了扩散通风的形成机理，论述了扩散通风的优点和缺点，并对扩散通风的应用提出了建议。 关键词：扩散通风、机理、优点、缺点、应用

扩散通风是煤矿生产中较常用到的通风方法。如果扩散通风的理论不建立在科学的基础之上，人们就很难正确认识扩散通风的优点和缺点，因而也就不能正确理解《煤矿安全规程》等文件关于扩散通风应用范围的规定，由此也可能导致严重的后果。为此，笔者在物理学中气体分子运动论的基础上，对扩散通风的原理及应用提出一点看法。

一、扩散通风是大量气体分子无规则热运动的结果

物理学在大量实验的基础上，已经得出如下结论：(1)一般物质都是由大量的、不连续的、彼此有一定距离的微小粒子——分子或原子组成。例如，在标准状态下，lcm3的氧气有2.7×1019个分子，每个分子分摊到的容积为3.7×1O-20cm3，而每个分子的体积为lO-23cm3，比较氧分子的体积与氧分子在标准状态下分摊到的空间大小就可知道，气体分子在空间的分布是相当稀疏的。(2)分子永远不停地做无规则运动。这里所说的无规则运动包含两方面含义：其一，分子运动的速度是不断变化的；其二，分子运动的方向是不断变化的。分子在运动过程中的速度和方向变化是由于分子在运动过程中频繁的碰撞造成的。因为气体分子的运动速度很大(平均500m／s)，且构成气体的分子数目很多，所以气体分子的碰撞是相当频繁的。平均来说，任一分子在运动过程中，大约经过10-10 s就会与另外的分子碰撞一次。物理学认为气体分子的碰撞是完全弹性碰撞，碰撞过程中没

有能量损失。所以，气体分子的运动是永不停息的。(3)大量分子的运动服从统计规律，即每一分子的运动可以是这样，也可以是那样。但就大量分子统计平均而言，沿空间各个方向运动的分子数目应该相等，分子速度在各个方向分量的各种平均值也应该相等。根据以上物理学中的结论我们不难作出下面的推论：气体分子的无规则热运动能使相连通的空间之间不断发生气体交换，这就是通风学中所说的扩散通风。如图l所示，空间A

A 图 1

与空间B相通，空间A中有空气沿箭头所示方向流动。联系前面物理学的结论，我们可以把空问A中气体分子运动分为两种：一种是所有分子都具有的沿箭头方向的运动，即空气的流动，这是外在动力作用的结果。另一种是空气中分子的无规则热运动，这种运动与外在动力的作用无关。在B空间中的空气，只存在一种形式的运动，即空气中分子的无规则热运动。A、 B两空间气体分子的无规则热运动能使A空间与B之间不断发生气体交换，即在一定时间里A空间中的气体分子将有一部分因无规则热运动而进入B空间。同时，B空间中的气体分子也有一部分因无规则热运动而进入A空间。在同一时间里，从A空间进入B空间的气体分子与从B空间进入A空间的气体分子在数量上是相等的。A空间与B空间因气体分子的无规则热运动而不断

B 发生气体交换。

物理学有一个实验也可用来说明扩散通风机理。如图2所示，有A、B

B

图2

两个容器，A中装有氢气，B中装有二氧化碳。将A臵于B 的上方，若打开A、B连接管路上的阀门C，经若干时间后，A、B两容器中的气体将均匀混合。是什么因素导致A、B两容器之间的气体交换? 只能是气体分子的无规则热运动。如果将A、B两容器之一任意扩大。两容器之间的气体交换并不会因此而停止，这时小容器与大容器之间因气体分子热运动而发生的气体交换，就与局部空间采用扩散通风时与外界的气体交换没有什么区别。 扩散通风完全不同于一般意义上的通风。以局部通风为例，一般类型的通风(总风压通风或局部通风机通风)是借助于外在动力，迫使空气中气体分子做有序运动。而使局部空间与外界不断发生气体交换。而扩散通风，则是依靠空气中气体分子的无序自然运动(即无规则热运动)，使局部空 间与外界不断发生气体交换。 二、扩散通风的效果及应用

因为扩散通风是气体交换，所以也具有提供氧气、冲淡排除有害气体和调节气候条件的作用，但是扩散通风在这三个方面的效果比其它类型的

A

C

通风要差得多。扩散通风的效果与局部空间的长度和横断面积有如下关系：局部空间的长度一定时，其横断面积越大，扩散通风的效果越好，横断面积越小，扩散通风的效果越差。如图3所示，B为一局部空间。在B的

A

X1 X2

B

图 3

长度一定时其断面积越大，空间内的分子数目越多，全部分子运动速度沿局部空间B轴线方向的分量的矢量X1和X2也越大，所以扩散通风的效果越好。与此相反，B空间的横断面积越小，空间B中的分子数目就越少，全部分子运动速度沿局部空间B轴线方向的分量的矢量X1和X2也越小，所以扩散通风的效果越差。在局部空间横断面积一定的条件下，局部空的长度越大，扩散通风的效果越差，长度越小效果越好。如图4所示，我们把局部空间B 分为B1、B2、B3和B4四个部分，任取其中相邻的两部分进行研究。我们取Bl

a2

a1 b2 B1

B2

B3

B4

b1

A

图 4

和B2。假设在t1时间里，B1中有数目为a1的分子因无规则热运动进入B2，而B2 中也有数量与a1相等的气体分子因无规则热运动进入B1。若紧接着t1又要经过时间t2，那么在t2时间里，B1 中将要有数目为b1的分子因无规则热运动进人B2，同时B2中也将要有数目为b2(b2=b1)的气体分子因无规则热运动要进入B1。a2与b1、b2与a1 都存在交集。弄清这些交集所代表的物理意义就不难理解前面的命题。换而言之，从A空间进入B 空间的气体分子并非都能到达B空间的底部，B空间的长度越大，能够到达空间底部的分子数目越少。扩散通风除了在提供氧气、稀释带走有害气体和改善局部空间的气候条件三个方面的效果比其它类型的通风差得多之外，扩散通风稀释带走矿尘的功能更差，甚至基本失去这方面的功能。这是因为矿尘的个体体积远远大于气体分子的个体体积，每一粒浮游矿尘都能同时受到来自多个方向的众多气体分子的碰撞，分子碰撞产生的效应相互抵消，矿尘运动不受空气分子热运动的影响。因为没有能将矿尘从局部空间带出的因素， 矿尘只能沉降在尘源附近。沉积矿尘当受到其它因素干扰时将再次飞扬。

通过以上分析，我们不难看出扩散通风的缺点，而且有些缺点是扩散

通风本身是无法克服的。扩散通风的缺点制约了它的应用。然而，扩散通风也并非一无是处。首先，它是一种无动力通风，通风过程不消耗任何动力。除此之外，采用扩散通风不需构筑任何通风设施或安装任何设备，最为方便。因此，在一些特殊条件下，只要扩散通风的缺点表现得不明显时还是可以应用的。煤矿井下的采煤工作面和掘进工作面，因为其深度一般较大。人员比较集中，生产过程中能涌出大量的有害气体和产生大量的矿尘。若采用扩散通风不能保证为工作面人员提供足够的氧气，也不能保证有害气体不超过规定，更不可能冲淡带走生产过程中不断产生的大量矿尘，绝对不允许采用扩散通风。然而，对于另外一些局部地点(如候车室、 躲避硐室、长度较小而断面较大的机电硐室)，因为其长度小、人员少(或人员较多但停留时间短)、没有有害气体涌出和矿尘产生，采用扩散通风缺点就不明显，但优点却非常显著，像这样的地点是可以而且应该采用扩散通风的。

通风本身是无法克服的。扩散通风的缺点制约了它的应用。然而，扩散通风也并非一无是处。首先，它是一种无动力通风，通风过程不消耗任何动力。除此之外，采用扩散通风不需构筑任何通风设施或安装任何设备，最为方便。因此，在一些特殊条件下，只要扩散通风的缺点表现得不明显时还是可以应用的。煤矿井下的采煤工作面和掘进工作面，因为其深度一般较大。人员比较集中，生产过程中能涌出大量的有害气体和产生大量的矿尘。若采用扩散通风不能保证为工作面人员提供足够的氧气，也不能保证有害气体不超过规定，更不可能冲淡带走生产过程中不断产生的大量矿尘，绝对不允许采用扩散通风。然而，对于另外一些局部地点(如候车室、 躲避硐室、长度较小而断面较大的机电硐室)，因为其长度小、人员少(或人员较多但停留时间短)、没有有害气体涌出和矿尘产生，采用扩散通风缺点就不明显，但优点却非常显著，像这样的地点是可以而且应该采用扩散通风的。

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