第02章矿井空气流动基本理论课件

PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT11七月2024第第02章矿井空气流动基章矿井空气流动基本理论本理论PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT第二章矿井空气流动基本理论第二章矿井空气流动基本理论 前一章学习了矿井空气成分及浓度要求，那么本章要解决矿井空气的物理前一章学习了矿井空气成分及浓度要求，那么本章要解决矿井空气的物理参数、流动基本规律及指导实际的矿井通风。参数、流动基本规律及指导实际的矿井通风。2.1 2.1 矿井空气的主要物理参数矿井空气的主要物理参数2.1.1 温度温度 描述物体冷热状态的物理量。描述物体冷热状态的物理量。温标：温标：热力学温标热力学温标T、单位、单位K；摄氏温标摄氏温标t、单位、单位 换算换算 T=273.15+t T=273.15+t 最适宜的矿内空气温度是最适宜的矿内空气温度是1520。矿内空气温度的矿内空气温度的变化规律变化规律:在进风路线上矿内空气的温度与在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比，有地面气温相比，有冬暖夏凉冬暖夏凉的现象。回的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一采工作面的气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路线上，因通般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温，使气温略有下降，但基动而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。本上常年变化不大。PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.1.2 压力（力（压强强）压压强强：空空气气分分子子永永不不停停息息、无无规规则则的的热热运运动动对对容容器器壁壁的的宏宏观观表表现现。在在矿矿井井通风中习惯称为通风中习惯称为压力压力。因因为为这这里里所所指指的的空空气气压压力力（压压强强）与与其其宏宏观观运运动动无无关关，所所以以又又称称为为空空气气的的静静压压力力。其其大大小小取取决决于于重重力力场场中中的的位位置置（相相对对高高度度）、空空气气温温度度、湿湿度度与与空空气气成分等参数。成分等参数。单单位：位：Pa kPa MPa mmHg mmHPa kPa MPa mmHg mmH2 20 mmbar bar atm0 mmbar bar atm等等。换换算算见见P434P434 1 1MPa=10MPa=103 3kPa=10kPa=106 6Pa=1atmPa=1atm2.1.3 密度、比容密度、比容 密度密度：单位体积空气所具有的质量，：单位体积空气所具有的质量，用符号用符号(kg/m3)表示表示 比容比容：单位质量空气所占有的体积，用符号：单位质量空气所占有的体积，用符号(m3/kg)表示，表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。计算公式计算公式 常随常随T、P的变化而变化。标准状态下干空气的密度的变化而变化。标准状态下干空气的密度0=1.293 kg/m3PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.1.4 粘性粘性 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，便产生粘性阻力体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力内摩擦力)以阻止相对运动，流体具有的这一以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的性质，称作流体的粘性粘性。其大小主要取决于温度。其大小主要取决于温度。由由牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律得：得：式中，式中，F-内摩擦力，内摩擦力，N；S-流层之间的接触面积，流层之间的接触面积，m2；-动力粘度动力粘度(或称绝对粘度或称绝对粘度)，Pa.s。当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，du/dy=0，则，则F=0。矿井通风中。矿井通风中常用运动粘度，用符号常用运动粘度，用符号(m2/s)表示：表示：PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.1.5 湿度湿度 表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。不含水蒸气的空气称为不含水蒸气的空气称为干空气干空气；含有水蒸气的空气称为；含有水蒸气的空气称为湿空气湿空气。一、表示空气湿度的方法一、表示空气湿度的方法 1)绝对湿度绝对湿度（V）：1m3空空气气中中所所含含水水蒸蒸汽汽的的质质量量。单单位位Kg/m3，其其值值等等于于水水蒸蒸汽汽在在其其分分压压力力与温度下的密度。与温度下的密度。饱饱和和空空气气：在在一一定定的的温温度度和和压压力力下下，单单位位体体积积空空气气所所能能容容纳纳水水蒸蒸汽汽量量是是有有极极限限的的，超超过过这这一一极极限限值值，多多余余的的水水蒸蒸汽汽就就会会凝凝结结出出来来。这这种种含含有有极极限限值值水水蒸蒸汽汽的的湿湿空空气气叫叫饱饱和和空空气气，这这时时水水蒸蒸气气分分压压力力叫叫饱饱和和水水蒸蒸分分压压力力，PS，其其所所含含的水蒸汽量叫的水蒸汽量叫饱和湿度饱和湿度 s。2)相对湿度相对湿度（）单单位位体体积积空空气气中中实实际际含含有有的的水水蒸蒸汽汽量量（V）与与其其同同温温度度下下的的饱饱和和水水蒸蒸汽汽含含量（量（S）之比。反映空气中所）之比。反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度含水蒸汽量接近饱和的程度。=0 干空气；干空气；=1 饱和空气饱和空气;1 0 湿空气湿空气 3)含湿量含湿量 含有含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg）。）。二、井下空气湿度的变化规律二、井下空气湿度的变化规律 进进风风线线路路有有可可能能出出现现冬冬干干夏夏湿湿的的现现象象。进进风风井井巷巷有有淋淋水水的的情情况况除除外外。在在采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。PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT例如：甲地：t=18，V0.0107Kg/m3 乙地：t=30，V0.0154Kg/m3解：查附表(P435)当t为18，s0.0154Kg/m3 当t为30，s0.03037Kg/m3 甲地：V/S0.7 70%乙地：V/S0.5151%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？三、水蒸气对干空气物理参数的影响三、水蒸气对干空气物理参数的影响 1)湿空气密度湿空气密度式中，式中，d1m3湿空气中干空气的质量，湿空气中干空气的质量，kg；v1m3湿空气中水蒸气的质量，湿空气中水蒸气的质量，kg。2)湿空气压力湿空气压力式中，式中，Pd1m3湿空气中干空气的分压力，湿空气中干空气的分压力，Pa；Pv1m3湿空气中水蒸气的分压力，湿空气中水蒸气的分压力，Pa。P=Pd+Pv2.1.6焓是一个组合的状态参数，是一个组合的状态参数，表示气体热力状态的总能量。表示气体热力状态的总能量。单位质量物质的焓称为比焓。单位质量物质的焓称为比焓。它是内能它是内能u和压力功和压力功PV之和。之和。i=id+diV =1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓实际应用焓-湿图（湿图（i-d图）图）PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT复复习习思考思考题题1-1 1-1 简简述井下空气温度的述井下空气温度的变变化化规规律。律。1-2 1-2 简简述湿度的表示方式以及述湿度的表示方式以及矿矿内湿度的内湿度的变变化化规规律。律。1-3 某某矿矿井冬季井冬季总进风总进风流的温度流的温度为为5，相，相对对湿度湿度为为70%，矿矿井井总总回回风风流的流的温度温度为为20，相，相对对湿度湿度为为90%，矿矿井井总进总进、总总回回风风量平均量平均为为2500 m3/min。试试求求风风流在全天之内从井下流在全天之内从井下带带走多少水分？（已知走多少水分？（已知总进总进、回、回空气的空气的饱饱和湿度和湿度为为4.76 和和15.48 g/m3）PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.2 2.2 风流能量与压风流能量与压力力nPPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT 2.特点特点 a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；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；风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；c.风风流流静静压压的的大大小小（可可以以用用仪仪表表测测量量）反反映映了了单单位位体体积积风风流流所所具具有有的的能能够够对外作功的静压能的多少。对外作功的静压能的多少。3.静压力测算基准（表示方法）静压力测算基准（表示方法）静压一般直接测量静压一般直接测量,根据测算基准不同，可分为：根据测算基准不同，可分为：A、绝对压力绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力，用：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力，用P表示。表示。B、相对压力相对压力：以当时当地同标高的大气压力：以当时当地同标高的大气压力P0为测算基准为测算基准(零点零点)测得的压测得的压力，通常所说的力，通常所说的表压力表压力，用，用 h 表示。表示。4.绝对压力绝对压力P、相对压力、相对压力h和测算基准和测算基准P0的关系的关系：h=PP0 P永远永远0;而而h有有 正负正负之分；之分；P可可、Pi hti hi。PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT名称名称定义定义产生原因产生原因分类及符号分类及符号单位单位 计算公式计算公式特点特点备注备注静压静压空气分子对容空气分子对容器壁单位面积器壁单位面积上施加的压力。上施加的压力。重力重力热运动热运动绝对静压绝对静压PsPaPaP Ps sP0hs在各个方向上都相等在各个方向上都相等只要有空气存在，就呈只要有空气存在，就呈现出静压现出静压静压的大小反映了静压静压的大小反映了静压能的多少能的多少压入式取压入式取 抽出式取抽出式取相对静压相对静压hsPaPa速压速压（动（动压）压）风流定向流动风流定向流动时动能呈现的时动能呈现的压力。压力。空气流动空气流动h hv vPaPah hv v v2/2具有方向性具有方向性永远为正永远为正同一断面上各点的速压同一断面上各点的速压不相等不相等恒为正恒为正位压位压因空气位置高因空气位置高度不同而产生度不同而产生的压力。的压力。位置高度位置高度P Pw wPaPaP Pw wgZ与基准面有关与基准面有关不能用仪器测量不能用仪器测量不呈现压力不呈现压力位压与静压可以相互转位压与静压可以相互转化化只与基准面选只与基准面选取有关取有关n三个基本压力的比较表三个基本压力的比较表PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT名名称称组合方式组合方式分类及符号分类及符号单单位位计算公式计算公式备注备注全全压压静压速压静压速压绝对全压绝对全压PtPaPaP Pt tPshv压入式取压入式取抽出式取抽出式取相对全压相对全压htPaPah ht thshv势势压压静压位压静压位压P Pn nPaPaP Pn nPsPw同一断面上任一同一断面上任一点的势压相等点的势压相等总总压压静压速压静压速压位压位压P Pz zPaPaP Pz zPshvPw对同一断面而言对同一断面而言n三个导出压力的比较表三个导出压力的比较表PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.2.2 风流点流点压力及其相互关系力及其相互关系一、风流的点压力一、风流的点压力 概念：概念：是指测点的单位体积是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。空气所具有的压力。巷道或通风管道中风流的点压力可分为：巷道或通风管道中风流的点压力可分为：静压、动压和全压静压、动压和全压。风流中任一点风流中任一点i的的动压动压hvi、绝对静压、绝对静压Pi和绝对全压和绝对全压Pti的关系为：的关系为：Pti Pihvi 风流中任一点风流中任一点i的的动压动压hvi、相对静压、相对静压hi和相对全压和相对全压hti的关系为：的关系为：hti hihvi 讨论：讨论：1 Pi永远永远0，hvi永远永远0，Pti永远永远0，不论抽出式还是压入式；，不论抽出式还是压入式；2 hvi永远永远0，Pti永远永远 Pi，不论抽出式还是压入式；，不论抽出式还是压入式；3 3 在压入式通风中，在压入式通风中，P Pti ti and Pand Pi iPP0i0i h hi i0 0，h htiti0 0 h htiti恒正恒正 称为称为正压通风正压通风 且且 h htitih hi i ，h htiti=h=hi i+h+hvivi 压入式通风的实质是使风机出口风流的压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加，出口风流的绝对压力大于风机进能量增加，出口风流的绝对压力大于风机进口的压力。口的压力。aP0iPi真空真空P0ihi(+)Ptihvihti(+)PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT 4 在压入式通风中，在压入式通风中，P Pti ti and Pand Pi iP Poioi h htiti0 0，h hi i0 0 hti恒负恒负 称为负压通风称为负压通风 且且 h htitih hi i，但但|h|htiti|h|hi i|即：即：|h|htiti|=|h|=|hi i|h hvivi 抽出式通风的实质是使风机入口风流的能量降低，抽出式通风的实质是使风机入口风流的能量降低，即入口风流的绝对压力小于风机进口的压力。即入口风流的绝对压力小于风机进口的压力。5 从从3和和4看出，看出，hti的正负与通风方式有关。的正负与通风方式有关。bP0i真空真空P0iPihi(-)hvihti(-)PtiPatPa真空真空P0Pbha(+)hb(-)hvhat(+)hvhbt(-)Pbt压入式通风压入式通风n抽出式通风抽出式通风PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT例题例题2-2-1 2-2-1 如图压入式通风风筒中某点如图压入式通风风筒中某点i i的的h hi i=1000Pa=1000Pa，h hvivi=150Pa=150Pa，风筒外与，风筒外与i i点同标高的点同标高的P P0i0i=101332Pa=101332Pa，求：，求：(1)i (1)i点的绝对静压点的绝对静压P Pi i；(2)i(2)i点的相对全压点的相对全压h htiti；(3)i(3)i点的绝对全压点的绝对全压P Ptiti。解：解：(1)P(1)Pi i=P=P0i0i+h+hi i=101332+1000=102332Pa=101332+1000=102332Pa (2)h (2)htiti=h=hi i+h+hvivi=1000+150=1150Pa=1000+150=1150Pa (3)P (3)Ptiti=P=P0i0i+h+htiti=P=Pi i+h+hvivi=101332.32+1150=Pa=101332.32+1150=Pa例题例题2-2-2 2-2-2 如图抽出式通风风筒中某点如图抽出式通风风筒中某点i i的的h hi i=1000Pa=1000Pa，h hvivi=150Pa=150Pa，风筒外与，风筒外与i i点同标高的点同标高的P P0i0i=101332Pa=101332Pa，求：，求：(1)i (1)i点的绝对静压点的绝对静压P Pi i；(2)i(2)i点的相对全压点的相对全压h htiti；(3)i(3)i点的绝对全压点的绝对全压P Ptiti。解：解：(1)P(1)Pi i=P=P0i0i+h+hi i=101332.5-1000=100332Pa=101332.5-1000=100332Pa (2)|h (2)|htiti|=|h|=|hi i|h hvivi1000-150=850Pa1000-150=850Pa h htiti850 Pa850 Pa h htiti=h=hi i+h+hvivi-1000+150=-850Pa-1000+150=-850Pa (3)P (3)Ptiti=P=P0i0i+h+htiti=101332.5-850=100482Pa=101332.5-850=100482Pa PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT二、风流点的压力测定二、风流点的压力测定 1 1 压力测定仪器仪表压力测定仪器仪表 1)1)绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。2)2)压差及相对压力测量：恒温气压计、压差及相对压力测量：恒温气压计、“”水柱计、补偿式微压计、倾水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。斜单管压差计。3)3)感压仪器：皮托管，承受和传递压力，感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+-+-测压测压 2 2 用皮托管和用皮托管和“”型压差计型压差计测量风流点压力测量风流点压力 如图如图,将皮托管的尖端孔口正对风流将皮托管的尖端孔口正对风流来流方向来流方向，侧壁孔口侧壁孔口b b平行于风流方向，与管的平行于风流方向，与管的“-”口口相连，只感受到相连，只感受到绝对静压绝对静压P Pi i；尖端孔口尖端孔口a a正对风流方向，与管的正对风流方向，与管的“+”口口相连，既感受到相连，既感受到绝对静压绝对静压P Pi i,又感受到动又感受到动压压h hvi vi；所以测的是所以测的是绝对全压绝对全压P Ptiti 。_ _abPPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT以正压通风为例来说明以正压通风为例来说明 以水柱计的等压面以水柱计的等压面0 00 0为基准面为基准面设设:i i点至基准面的高度为点至基准面的高度为Z Z，皮托管内的空气，皮托管内的空气平均密度为平均密度为m m，皮托管外的空气平均密度，皮托管外的空气平均密度为为m m；与；与i i点同标高的大气压点同标高的大气压P P0i0i。则水柱计等压面则水柱计等压面 0 0 0 0两侧的受力分别为：两侧的受力分别为：水柱计左边等压面上受到的力：水柱计左边等压面上受到的力：P P左左P P0i0i+m mg(z-h)+g(z-h)+水水gh gh 水柱计右边等压面上受到的力：水柱计右边等压面上受到的力：P P右右P Pi i+m mgzgz 由等压面的定义有：由等压面的定义有：P P左左P P右右，即：，即：P P0i0i+m+mg(z-h)+g(z-h)+水水ghghP Pi i+m mgz gz P Pi i-P-P0i0i=m mg(z-h)+g(z-h)+水水gh-gh-m mgzgz设设m mm m ，且忽略，且忽略m mghgh这一微小量，整理得：这一微小量，整理得：P Pi i-P-P0i0i=水水ghgh 即即h mmHh mmH2 2O=hO=hi i说明说明：（：（1 1）水柱计上下移动时，）水柱计上下移动时，hi hi 保持不变；保持不变；（2 2）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上面上 hi hi相同。相同。hiP0zP0 iz zP P0 i0 ih h0 00 0PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT（）相对全压、动压测量（）相对全压、动压测量 测定连接如图（测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化说明连接方法及水柱高度变化）PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.3 2.3 通风能量方程通风能量方程 nPPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.3.2 可可压缩流体能量方程流体能量方程 能量方程是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用，表达了空气在流动能量方程是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用，表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律。过程中的压能、动能和位能的变化规律。因为矿井风流的因为矿井风流的密度密度是变化的，即是变化的，即空气可压缩空气可压缩；所以当外力对它做功；所以当外力对它做功增加增加机械能机械能的同时，也的同时，也增加其内能增加其内能。因此还涉及到。因此还涉及到能量转换能量转换。一、单位质量（一、单位质量（1kg）空气能量方程）空气能量方程 1 能量的组成能量的组成 在井巷通风中，在井巷通风中，1kg1kg空气或空气或1m1m3 3风流的能量风流的能量由由机械能机械能（静压能、动压能、位静压能、动压能、位能能）和）和内能内能组成。（组成。（1kg1kg空气所具有的能量）空气所具有的能量）机械能：机械能：静压能、动压能和位能之和静压能、动压能和位能之和。内能：内能：是空气状态参数的函数，即：是空气状态参数的函数，即：u=f(T,v)=f(P,v)u=f(T,v)=f(P,v)。2.2.风流流动过程中能量分析风流流动过程中能量分析 任一断面风流总机械能：压能动能位能任一断面风流总机械能：压能动能位能 任一断面风流总能量：压能动能位能内能，任一断面风流总能量：压能动能位能内能，所以，对单位质量流体有：所以，对单位质量流体有：PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqR 1kg1kg空气由空气由1 1断面流至断面流至2 2断面的过程中，克服流动阻力消耗的能量断面的过程中，克服流动阻力消耗的能量L LR R（J/kgJ/kg）这部分被消耗的能量将转化成这部分被消耗的能量将转化成热能热能q qR R（J/kgJ/kg）仍存在于空气中仍存在于空气中；q q（J/kgJ/kg）：）：外界传递给风流的热量（岩石、机电设备）。外界传递给风流的热量（岩石、机电设备）。3.3.可压缩空气单位质量（可压缩空气单位质量（1kg1kg）流量的能量方程）流量的能量方程 根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：根据热力学第一定律，传给空气的热量为根据热力学第一定律，传给空气的热量为q qR R+q+q，其一部分增加空，其一部分增加空气内能，一部分使空气膨胀做功。即：气内能，一部分使空气膨胀做功。即：(1)(1)式式PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqR3.3.可压缩空气单位质量（可压缩空气单位质量（1kg1kg）流量的能量方程流量的能量方程 根据热力学第一定律，传给根据热力学第一定律，传给空气的热量为空气的热量为q qR R+q+q，其一部分增加，其一部分增加空气内能，一部分使空气膨胀做功。空气内能，一部分使空气膨胀做功。即：即：又因为：又因为：(2)(2)式式 式中，式中，为空气的比容，为空气的比容，m m3 3/kg/kg(4)(4)式式将将(2)(2)、(3)(3)式代入式代入(3)(3)式中并整理得：式中并整理得：(4)(4)式就是式就是无压源时单位质量可压缩空气的能量方程一般式无压源时单位质量可压缩空气的能量方程一般式 最关键就是求第一部分积分，称为最关键就是求第一部分积分，称为伯努利积分项伯努利积分项，它反映了静压能的变，它反映了静压能的变化，与空气流动过程的状态密切相关。化，与空气流动过程的状态密切相关。（如何求自学）（如何求自学）(3)(3)式式+L+Lt tPPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqRmm为为1 1、2 2断面间按状态过程考断面间按状态过程考虑的空气平均密度虑的空气平均密度代入代入(3)(3)式得式得(5)(5)式式(4)(4)式式n最终结果最终结果(6)(6)式式PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT 二、单位体积（二、单位体积（1kg1kg）流体的能量方程）流体的能量方程 我国矿井通风中习惯使用单位体积（我国矿井通风中习惯使用单位体积（1m1m3 3）流体的能量方程。考虑空气的）流体的能量方程。考虑空气的可压缩性时，那么可压缩性时，那么1m1m3 3 空气流动过程中的空气流动过程中的能量损失（能量损失（h hR R，J/mJ/m3 3（PaPa），），即即通风通风阻力）阻力）可由可由1kg1kg空气流动过程中的空气流动过程中的能量损失（能量损失（L LR R ，J/KgJ/Kg）乘以按流动过程状态乘以按流动过程状态考虑计算的考虑计算的空气密度空气密度 m m，即：即：h hR R=L=LR R.m m 则单位体积则单位体积(1m(1m3 3)流量的能量方程的书写形式为：流量的能量方程的书写形式为：讨论：讨论：1 1、1m1m3 3 空气在流动过程中的空气在流动过程中的能量损失（通风阻力）能量损失（通风阻力）等于两断面间的等于两断面间的机械机械能差能差。2 2、g g m m（Z Z1 1-Z-Z2 2）是）是1 1、2 2 断面的断面的位能差位能差。当。当1 1、2 2 断面的标高差较大的情断面的标高差较大的情况下，该项数值在方程中往往占有很大的比重，必须准确测算。其中，况下，该项数值在方程中往往占有很大的比重，必须准确测算。其中，关键是关键是 m m的计算，及基准面的选取的计算，及基准面的选取。m m的测算原则的测算原则：将：将1 12 2 测段分为若干段，计算各测定断面的空气密度测段分为若干段，计算各测定断面的空气密度(测定测定 P P、t t、)，求其几何平均值。，求其几何平均值。基准面选取基准面选取：取测段之间的最低标高作为基准面。：取测段之间的最低标高作为基准面。(7)(7)式式PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT例如：如图所示的通风系统，如要求例如：如图所示的通风系统，如要求1 1、2 2断面的位断面的位能差，基准面可选在能差，基准面可选在2 2的位置。其位能差为：的位置。其位能差为：而要求而要求1 1、3 3两断面的位能差，其基准面应选在两断面的位能差，其基准面应选在0-00-0位置。其位能差为：位置。其位能差为：12300nPPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT 动能系数：是断面实际总动能与用断面平均风速计算出的总动能的比。动能系数：是断面实际总动能与用断面平均风速计算出的总动能的比。经对位能差与动能差进行简化处理，单位体积经对位能差与动能差进行简化处理，单位体积(1m(1m3 3)流量的能量方程的书流量的能量方程的书写形式为写形式为 (8)(8)式与式与(9)(9)式是我们应用最广泛的两个方程，是伯努利方程在矿井通式是我们应用最广泛的两个方程，是伯努利方程在矿井通风中的具体应用风中的具体应用三、关于能量方程使用的几点说明三、关于能量方程使用的几点说明 1.1.能量方程的意义能量方程的意义：表示：表示1kg1kg（或（或1m1m3 3）空气由）空气由1 1断面流向断面流向2 2断面的过程中断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经所消耗的能量（通风阻力），等于流经1 1、2 2断面间空气总机械能的变化。断面间空气总机械能的变化。2.2.风流流动必须是风流流动必须是稳定流稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的所研究的始、末断面要选在缓变流场上始、末断面要选在缓变流场上。(8)(8)式式(9)(9)式式PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT三、关于能量方程使用的几点说明三、关于能量方程使用的几点说明 3.3.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。一项。如不知风流方向如不知风流方向，列能量方程时，列能量方程时，应先假设风流方向应先假设风流方向，如果计算出，如果计算出的能量损失（通风阻力）的能量损失（通风阻力）为正为正，说明，说明风流方向假设正确风流方向假设正确；如果；如果为负为负，则风，则风流方向流方向与假设相反与假设相反。4.4.正确选择求位能时的基准面。正确选择求位能时的基准面。5.5.在始、末断面间有压源时，在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正源为正，说明压源对风流做功；，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负如果两者方向相反，压源为负，则压源成，则压源成为通风阻力。为通风阻力。6.6.应用能量方程时要注意各项单位的一致性。应用能量方程时要注意各项单位的一致性。7.7.对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程n1n2n3PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT例例 1 1、在某一通风井巷中，测得在某一通风井巷中，测得1 1、2 2两断面的绝对静压分别为两断面的绝对静压分别为101324.7 101324.7 PaPa和和101858 Pa101858 Pa，若，若S S1 1=S=S2 2，两断面间的高差，两断面间的高差Z Z1 1-Z-Z2 2=100=100米，巷道中米，巷道中 m12m12=1.2kg/m=1.2kg/m3 3，求：，求：1 1、2 2两断面间的通风阻力，并判断风流方向。两断面间的通风阻力，并判断风流方向。解：假设风流方向解：假设风流方向1 12 2，列能量方程：，列能量方程：=（101324.7101324.7101858101858）0 01009.811.21009.811.2=643.9 J/m=643.9 J/m3 3。由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，1 12 2。例例 2 2、在进风上山中测得在进风上山中测得1 1、2 2两断面的有关参数，绝对静压两断面的有关参数，绝对静压P P1 1=106657.6Pa=106657.6Pa，P P2 2=101324.72Pa=101324.72Pa；标高差；标高差Z Z1 1-Z-Z2 2=400m400m；气温；气温t t1 1=15=15，t t2 2=20=20；空气；空气的相对湿度的相对湿度 1 1=70%=70%，2 2=80%=80%；断面平均风速；断面平均风速v v1 1=5.5m/s=5.5m/s，v v2 2=5m/s=5m/s；求通风；求通风阻力阻力L LR R、h hR R。解：查饱和蒸汽表得；解：查饱和蒸汽表得；t t1 1=15=15时，时，P PS1S1=1704Pa=1704Pa；t t2 2=20=20时，时，P PS2S2=2337Pa=2337Pa；Z1-Z212PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT =382.26 J/kg382.26 J/kg 又又 PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT =1.23877 kg/m =1.23877 kg/m3 3 =475.19 J/m =475.19 J/m3 3 或或 h hR R=L=LR R m m=382.261.23877=473.53 J/m=382.261.23877=473.53 J/m3 3。PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.4 2.4 矿井空气的主要物理参数矿井空气的主要物理参数 通通风能量方程能量方程是通是通风工程各工程各项测定技定技术与管理的基与管理的基础。必。必须正确理解、掌正确理解、掌握，然而能量方程并不形象直握，然而能量方程并不形象直观，因此引入，因此引入通通风能量（能量（压力）坡度力）坡度线。通通风能量（能量（压力）坡度力）坡度线从从图形上能形上能较为直直观的反映的反映风流流流流动过程中的程中的能能量（量（压力）的力）的变化化规律律、通通风能量（能量（压力）与通力）与通风阻力的相互关系及相互阻力的相互关系及相互转化。化。2.4.1 水平水平风道的通道的通风能量（能量（压力）坡度力）坡度线一、一、能量（能量（压力）坡度力）坡度线 的做法的做法 测点选择测点选择：巷道的进出口、巷道断面突然变化点、通风机进出口、扩散器：巷道的进出口、巷道断面突然变化点、通风机进出口、扩散器的进出口。的进出口。每个测点的测量指标每个测点的测量指标：相对静压、动压、测点同标高的大气压力、风道断：相对静压、动压、测点同标高的大气压力、风道断面积。面积。测量方法测量方法：见第：见第1、2节。节。作图作图：以风流流程为横坐标、以压力（相对压力、绝对压力）为纵坐标。：以风流流程为横坐标、以压力（相对压力、绝对压力）为纵坐标。将各测点的相对将各测点的相对(绝对绝对)静压、相对静压、相对(绝对绝对)全压对应描绘在坐标图中，最后将图上全压对应描绘在坐标图中，最后将图上的同名参数点用直线或曲线连接起来，即成。的同名参数点用直线或曲线连接起来，即成。n扩散器扩散器PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT 注意：入口断面与出口断面两个边界条件注意：入口断面与出口断面两个边界条件 入口断面入口断面：绝对全压等于同标高大气压力绝对全压等于同标高大气压力 即：即：Ptin=P0 所以所以 htin=0，hin=-hvin 出口断面出口断面：绝对静压等于同标高大气压力绝对静压等于同标高大气压力 即：即：Pex=P0 所以所以 hex=0，htex=hvex；上面图中上面图中红线红线表示表示全压全压的沿程分布；的沿程分布；蓝线蓝线表示表示静压静压的沿程分布的沿程分布二、二、能量（能量（压力）坡度力）坡度线 分析分析n0n1n2n3n4n5n6n7n8n9n10n扩散器扩散器nP0n压力压力Pan流程流程PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT二、二、能量（能量（压力）坡度力）坡度线 分析分析1.通风阻力与能量通风阻力与能量（压力）坡度力）坡度线的关系的关系 根据能量方程：根据能量方程：且且P P0i0i=P=P0j0j 由于风道是水平的，故各断面间无位能差，且大气压相等。由能量方程知，由于风道是水平的，故各断面间无位能差，且大气压相等。由能量方程知，任意两断面间的通风阻力就等于两断面的全压差。任意两断面间的通风阻力就等于两断面的全压差。1）抽出段抽出段 求入口断面至求入口断面至i断面的通风阻力，由上式得：断面的通风阻力，由上式得：hR0i=ht0hti=hti（ht0=0）即：即：入口至任意断面入口至任意断面i i的通风阻力（的通风阻力（h hR0R0i i）就等于该断面的相对全压（）就等于该断面的相对全压（h htiti）的绝对值。）的绝对值。2）压入段）压入段 求任意断面求任意断面i至出口的通风阻力，由上式得：至出口的通风阻力，由上式得：hRi10 =htiht10=htihv10(h10=0）即：即：压入段任意断面压入段任意断面i至出口的通风阻力（至出口的通风阻力（hRi10）等于该断面的相对全压（）等于该断面的相对全压（hti）减去出口断面的动压（减去出口断面的动压（hv10）。）。2.能量（压力）坡度线直观明了地表达了风流流动过程中的能量变化能量（压力）坡度线直观明了地表达了风流流动过程中的能量变化 绝对绝对全压全压（相对（相对全压全压）沿程是）沿程是逐渐减小逐渐减小的；的；绝对绝对静压静压（相对（相对静压静压）沿程分布是）沿程分布是随动压的大小变化而变化随动压的大小变化而变化。断面断面减小减小，静压转化为动压静压转化为动压；断面；断面增大增大，动压转化为静压动压转化为静压PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT3.扩散器回收动能（相对静压为负值）扩散器回收动能（相对静压为负值）所谓扩散器回收动能，就是在风流出口加设一段断面逐渐扩大的风道，所谓扩散器回收动能，就是在风流出口加设一段断面逐渐扩大的风道，使得出口风速变小，从而达到减小流入大气的风流动能。扩散器安设的使得出口风速变小，从而达到减小流入大气的风流动能。扩散器安设的是否合理，可用回收的动能值（是否合理，可用回收的动能值（h hv v）与扩散器自身的通风阻力（）与扩散器自身的通风阻力（h hRdRd）相）相比较来确定，即：比较来确定，即：hv=hvexhvex hRd 合理合理 hv=hvexhvex h hR9R91010，则，则，h h9 90 0 （为负值）（为负值）因此，测定因此，测定扩散器入口断面的相对静值扩散器入口断面的相对静值就可判断扩散器的安装是否合理，就可判断扩散器的安装是否合理，相对静压的负值越大，其扩散器回收动能的效果越好相对静压的负值越大，其扩散器回收动能的效果越好。n910PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT三、通风机全压三、通风机全压 1.概念：概念：通风机全压通风机全压Ht等于通风机出口全压与入口全压之差。如图等于通风机出口全压与入口全压之差。如图 即：即：Ht=Pt6Pt5 2.通风机全压通风机全压Ht与风道通风阻力、出口动能损失的关系与风道通风阻力、出口动能损失的关系 根据能量方程与压力坡度线根据能量方程与压力坡度线 hR610=Pt6Pt10 Pt6=hR610+Pt10 hR05=Pt0Pt5 Pt5=Pt0hR05 Ht=Pt6Pt5=hR610+Pt10（Pt0hR05）Pt10=Pi10+Pv10=P0+Pv10 Pt0=P0 代入上式得代入上式得 Ht=hR610+P0+Pv10（P0hR05）=hR05+hR610+Pv10=hR+Pv10 所以通所以通风机机全全压等于等于风道道通通风阻力阻力+出出口口动能能损失失 n0n1n2n3n4n5n6n7n8n9n10nP0n压力压力Pan流程流程n扩散器扩散器nH tPPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT分析分析:1)通风机全压通风机全压Ht克服克服风道通风阻力风道通风阻力的那一部分能量，称为的那一部分能量，称为通风机静压通风机静压Hs。即：即：Hs=hR110 Ht=Hs+Pv10 2)抽出式通风通风机全压抽出式通风通风机全压Ht Ht=Pt6Pt5=P0+Pv6（P0hR05）=hR05+Pv6 压入压入式通风通风机全压式通风通风机全压Ht Ht=Pt6Pt5=hR610+P0+Pv10 P0=hR610+Pv10 无论通风机作何种工作方式，通风机的全压都是用于克服风道的通风阻无论通风机作何种工作方式，通风机的全压都是用于克服风道的通风阻力和出口动能损失；其中通风机静压用于克服风道的通风阻力。力和出口动能损失；其中通风机静压用于克服风道的通风阻力。PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT2.4.2 通通风系系统的通的通风能量（能量（压力）坡度力）坡度线一、一、能量（能量（压力）坡度力）坡度线 的做法的做法 测点选择测点选择：矿井进风口、巷道的进出口连接点、主要通风机进口。：矿井进风口、巷道的进出口连接点、主要通风机进口。每个测点的测量指标每个测点的测量指标：绝对静压、风速、温度、湿度、标高、风道断面积：绝对静压、风速、温度、湿度、标高、风道断面积等参数。等参数。测量方法测量方法：见第：见第1、2节。节。计算：计算：每个测点的动压、位能、全压、总能量。每个测点的动压、位能、全压、总能量。以右图所示简化通风系统为例，说明矿井通风系统中以右图所示简化通风系统为例，说明矿井通风系统中有高度变化的风流路线上能量有高度变化的风流路线上能量(压力压力)坡度线的画法。坡度线的画法。作图步骤：作图步骤：1.确定基准面。一般地，以最低水平确定基准面。一般地，以最低水平(如如2-3)为基准面。为基准面。2.测算出各断面的总压能测算出各断面的总压能(包括静压、动压和相对基准面的位能包括静压、动压和相对基准面的位能)。3.选择坐标系和适当的比例。以压能为纵坐标，风流流程为横坐标，把各断面选择坐标系和适当的比例。以压能为纵坐标，风流流程为横坐标，把各断面的静压、动压和位能描在坐标系中，即得的静压、动压和位能描在坐标系中，即得1、2、3、4断面的总压能。断面的总压能。4.把各断面的同名参数点用折线连接起来，即得把各断面的同名参数点用折线连接起来，即得1流程上的（能流程上的（能量）压力坡度线。量）压力坡度线。nnnnPPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT说明：说明：1.图中红线代表总能量；蓝线代表全压；紫线代表静压。图中红线代表总能量；蓝线代表全压；紫线代表静压。2.以以23面为基准面面为基准面,1点位能点位能EP01=a1a0,2、3点位能为点位能为0，4点位能点位能EP04=ed0。3.1点动压能等于点动压能等于a1a2，其余点相同。，其余点相同。4.1点总压能点总压能=(1a2)+(a2a1)+(a1a0)=1a；1点阻力点阻力(能量损失能量损失)0 2点总压能点总压能=(2b2)+(b2b1)=2b；21点阻力点阻力(能量损失能量损失)=(bb0)-(aa0)=(1a)-(2b)3点总压能点总压能=(3c2)+(c2c1)=3c；32点阻力点阻力(能量损失能量损失)=(cc0)-(bb0)=(2b)-(3c)4点总压能点总压能=(4d2)+(d2d1)+(ed0)=4d；43点阻力点阻力(能量损失能量损失)=(dd0)-(cc0)=(3c)-(4d)nnnnn0n1n2n3n4nb0nc0nd0na1na2nb2nc2na0(a)nb(b1)nc(c1)ndnd1nd2nP0nPan压能压能nenEP01nEP04nHNnHtn流程流程PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT分析：分析：1、能量（压力）坡度线（能量（压力）坡度线（a-b-c-d a-b-c-d）清楚地反映了风流在流动过程中，沿）清楚地反映了风流在流动过程中，沿程各断面上全能量与通风阻力程各断面上全能量与通风阻力h hR R之间的关系。全能量沿程逐渐下降，从入风口之间的关系。全能量沿程逐渐下降，从入风口至某断面的通风阻力就等于该断面上全能量的下降值（如至某断面的通风阻力就等于该断面上全能量的下降值（如b b0 0b b），任意两断面间），任意两断面间的通风阻力等于这两个断面全能量下降值的差。的通风阻力等于这两个断面全能量下降值的差。2、绝对全压和绝对静压坡度线的坡度线变化有起伏（如绝对全压和绝对静压坡度线的坡度线变化有起伏（如1-21-2段风流由上向段风流由上向下流动，位能逐渐减小，静压逐渐增大；在下流动，位能逐渐减小，静压逐渐增大；在3-43-4段其压力坡度线变化正好相反，段其压力坡度线变化正好相反，静压逐渐减小，位能逐渐增大）。说明，静压和位能之间可以相互转化。静压逐渐减小，位能逐渐增大）。说明，静压和位能之间可以相互转化。nnnnn0n1n2n3n4nb0nc0nd0na1na2nb2nc2na0(a)nb(b1)nc(c1)ndnd1nd2nP0nPan压能压能nenEP01nEP04nHNnHtn流程流程PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTPPT分析：分析：3、1、4断面上的位能差是断面上的位能差是自然风压自然风压HN，即，即HN=EP01-EP04 自然风压自然风压HN+通风机全风压通风机全风压Ht共同克服矿井通风阻力与出口动能损失共同克服矿井通风阻力与出口动能损失 即：即：HN+Ht=(dd0)+(d2d1)4、能量（压力）坡度线可以清楚的看到风流沿程各种能量的变化情况。特能量（压力）坡度线可以清楚的看到风流沿程各种能量的变化情况。特别是在复杂通风网络中，利用能量（压力）坡度线可以直观地比较任意两点间别是在复杂通风网络中，利用能量（压力）坡度线可以直观地比较任意两点间的能量大小，判断风流方向。这对分析研究局部系统的均压防灭火和控制瓦斯的能量大小，判断风流方向。这对分析研究局部系统的均压防灭火和控制瓦斯涌出是有力的工具。涌出是有力的工具。nnnnn0n1n2n3n4nb0nc0nd0na1na2nb2nc2na0(a)nb(b1)nc(c1)ndnd1nd2nP0nPan压能压能nenEP01nEP04nHNnHtn流程流程PPTPPTPPTPPT文档演模板文档演模板文档演模板文档演模板OfficeOfficeOfficeOfficePPTPPTPPTP