矿井空气流动的基本理论-课件

第二章第二章 矿井空气流动的基本理论矿井空气流动的基本理论本章的重点：本章的重点：1 1、空气的物理参数、空气的物理参数-T-T、P P、；2 2、风流的能量与点压力、风流的能量与点压力-静压，静压能；动压、动能；静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系的关系3 3、能量方程、能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程4 4、能量方程在矿井中的应用、能量方程在矿井中的应用-边界条件、压力坡度图边界条件、压力坡度图本章的难点：本章的难点：点压力之间的关系点压力之间的关系能量方程及其在矿井中的应用能量方程及其在矿井中的应用第二章第二章 矿井空气流动的基本理论矿井空气流动的基本理论 主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容：矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。根据热力学第一定流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数一、温度一、温度 温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位参数之一。热力学绝对温标的单位K K，摄式温标，摄式温标 T=273.15+tT=273.15+t二、压力（压强）二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号空气的压力也称为空气的静压，用符号P P表示。压强在表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。P=2/3n(1/2mvP=2/3n(1/2mv2 2)矿井常用压强单位：矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmHPa Mpa mmHg mmH2 20 mmbar bar atm 0 mmbar bar atm 等等。换算关系：换算关系：1 atm=760 mmHg=1013.25 mmbar=101325 Pa 1 atm=760 mmHg=1013.25 mmbar=101325 Pa (见见P396)P396)mmbar=100 Pa =10.2 mmHmmbar=100 Pa =10.2 mmH2 20,0,mmHg=13.6mmHmmHg=13.6mmH2 20=133.32 Pa0=133.32 Pa三、湿度三、湿度表表示示空空气气中中所所含含水水蒸蒸汽汽量量的的多多少少或或潮潮湿湿程程度度。表表示示空空气气湿湿度度的的方方法法：绝绝对湿度、相对温度和含湿量三种对湿度、相对温度和含湿量三种、绝对湿度、绝对湿度 每每立立方方米米空空气气中中所所含含水水蒸蒸汽汽的的质质量量叫叫空空气气的的绝绝对对湿湿度度。其其单单位位与与密密度度单单位位相相同同（Kg/Kg/m m3 3），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与温温度度下下的的密密度度。v v=M=Mv v/V/V 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水蒸分压力和水蒸分压力，P PS S，其所含的水蒸汽量叫，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度饱和湿度 s s 。、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 V）与与其其同同温温度度下下的的饱饱和和水水蒸汽含量（蒸汽含量（S S）之比称为空气的相对湿度）之比称为空气的相对湿度 V V S S 反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。愈小愈小 空气愈干爆，空气愈干爆，为干空气；为干空气；愈大愈大 空气愈潮湿，空气愈潮湿，为饱和空气为饱和空气。温度下降，其相对湿度增大，冷却到温度下降，其相对湿度增大，冷却到=1=1时的温度称为时的温度称为露点露点例如：甲地：例如：甲地：t=18 t=18 ，V V 0.0107 Kg/m0.0107 Kg/m3,3,乙地：乙地：t=30 t=30 ，V V 0.0154 Kg/m0.0154 Kg/m3 3解：查附表解：查附表 当当t t为为18 18 ，s s 0.0154 Kg/m0.0154 Kg/m3,3,当当t t为为 30 30，s s 0.03037 Kg/m0.03037 Kg/m3,3,甲地：甲地：V V S S0.7 0.7 70%70%乙地：乙地：V V S S0.510.5151%51%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乙地的空气吸湿能力强。露点露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到逐渐增大，当达到100100时，此时的温度称为露点。时，此时的温度称为露点。上例上例 甲地、乙地的露点分别为多少？甲地、乙地的露点分别为多少？、含湿量、含湿量 含有含有1kg1kg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（kgkg）称为）称为空气的含湿量。空气的含湿量。d=d=V V d,d,V V=Ps/461T =Ps/461T d d=(P-Ps)/287T=(P-Ps)/287T d=0.622 d=0.622 Ps/(P-Ps)Ps/(P-Ps)四、焓四、焓 焓是一个复合的状态参数，它是内能焓是一个复合的状态参数，它是内能u u和压力功和压力功PVPV之和，焓也称热焓。之和，焓也称热焓。i=ii=id d+d+di iV V=1.0045t+d(2501+1.85t)=1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓实际应用焓-湿图（湿图（I-d)I-d)五、粘性五、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，便产生粘性阻力流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力内摩擦力)以阻止相对运动，流以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。其大小主要取决于温度。体具有的这一性质，称作流体的粘性。其大小主要取决于温度。根据牛顿内摩擦定律有：根据牛顿内摩擦定律有：式中：式中：比例系数，代表空气粘性，称为比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性动力粘性或或绝对粘度绝对粘度。其国际单位：帕其国际单位：帕.秒，写作：秒，写作：Pa.SPa.S。运动粘度为：运动粘度为：温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低 V y六、密度六、密度 单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与与P P、t t、湿度等有、湿度等有关。湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即：关。湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即：根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式：根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式：kg/m kg/m3 3 式中：式中：P P为大气压，为大气压，satsat为饱和水蒸汽压，单位：为饱和水蒸汽压，单位：PaPa；为相对湿度；为空气绝对温度，为相对湿度；为空气绝对温度，T=t+273,KT=t+273,K。kg/m kg/m3 3 式中：式中：P P为大气压，为大气压，satsat为饱和水蒸汽压，单位：为饱和水蒸汽压，单位：mmHgmmHg。注意：注意：和和sat sat 单位一致。单位一致。空气比容空气比容：=V/M=1/=V/M=1/第二节第二节 风流的能量与压力风流的能量与压力 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作功的机械能。位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。一、风流的能量与压力一、风流的能量与压力1.1.静压能静压静压能静压（1 1）静压能与静压的概念）静压能与静压的概念 空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。这种由分子热运动产生空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。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作功的机械能叫的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能，静压能，J Jm m3 3，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。到的垂直作用力。静压静压Pa=N/mPa=N/m2 2也可称为是静压能也可称为是静压能，值相等，值相等（）静压特点（）静压特点 a.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.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.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对外外作作功功的的静静压压能能的的多多少少。如如说说风风流流的的压压力力为为101332Pa101332Pa，则则指指风风流流1m1m3 3具有具有101332J101332J的静压能。的静压能。（）压力的两种测算基准（表示方法（）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：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绝对压力和相对压力。A A、绝绝对对压压力力：以以真真空空为为测测算算零零点点（比比较较基基准准）而而测测得得的的压压力力称称之之为为绝对压力，用绝对压力，用 P P 表示。表示。B B、相对压力：相对压力：以当时当地同标高的大气压力为测算基准以当时当地同标高的大气压力为测算基准(零点零点)测测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用 h h 表示。表示。风风流流的的绝绝对对压压力力（P P）、相相对对压压力力（h h）和和与与其其对对应应的的大大气气压压（P P0 0）三者之间的关系如下式所示：三者之间的关系如下式所示：h =P h =P P P0 0abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0P Pi i 与与 h hi i 比较：比较：I I、绝对静压总是为正，而相对静压有、绝对静压总是为正，而相对静压有正负正负之分；之分；IIII、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、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。高度无关。IIIIII、P Pi i 可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P(P0i0i)。2 2、重力位能、重力位能（1)1)重力位能的概念重力位能的概念 物物体体在在地地球球重重力力场场中中因因地地球球引引力力的的作作用用，由由于于位位置置的的不不同同而而具具有有的的一一种种能量叫能量叫重力位能重力位能，简称位能，用，简称位能，用 E EPOPO 表示。表示。如如果果把把质质量量为为M M（kgkg）的的物物体体从从某某一一基基准准面面提提高高Z Z（m m），就就要要对对物物体体克克服服重重力力作作功功M.g.ZM.g.Z（J J），物物体体因因而而获获得得同同样样数数量量（M.g.ZM.g.Z）的的重重力力位位能能。即即：E EPOPO=M.g.Z =M.g.Z 重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小，而且是一个其大小，而且是一个相对值相对值 。实际工作中一般计算位能差。实际工作中一般计算位能差。（）位能计算（）位能计算 重力位能的计算应有一个重力位能的计算应有一个参照基准面参照基准面。E Ep012p012=i i gdz gdzi i如下图如下图 1 1两断面之间的位能差：两断面之间的位能差：dzi（3)3)位能与静压的关系位能与静压的关系 当当空空气气静静止止时时（v=0v=0），由由空空气气静静力力学学可可知知：各各断断面面的的机机械械能能相相等等。设以设以2-22-2断面为基准面：断面为基准面：1-1 1-1断面的总机械能断面的总机械能 E E1 1=E=EPO1PO1+P+P1 1 2-2 2-2断面的总机械能断面的总机械能 E E2 2=E=EPO2PO2+P+P2 2 由由E E1 1=E=E2 2得：得：E EPO1PO1+P+P1 1=E=EPO2PO2+P+P2 2 由于由于E EPO2PO2=0=0（2-22-2断面为基准面），断面为基准面），E EPO1PO1=1212.g.Z.g.Z1212，所以：所以：P P2 2=E=EPO1PO1+P+P1 1=1212.g.Z.g.Z1212+P+P1 1 说明：说明：、位能与静压能之间可以互相转化。、位能与静压能之间可以互相转化。II II、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能势能。（4)4)位能的特点位能的特点 a.a.位位能能是是相相对对某某一一基基准准面面而而具具有有的的能能量量，它它随随所所选选基基准准面面的的变变化化而而变变化。化。但位能差为定值。但位能差为定值。b.b.位位能能是是一一种种潜潜在在的的能能量量，它它在在本本处处对对外外无无力力的的效效应应，即即不不呈呈现现压压力力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。故不能象静压那样用仪表进行直接测量。c.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。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。dzi3.3.动能动压动能动压（1)1)动能与动压的概念动能与动压的概念 当当空空气气流流动动时时，除除了了位位能能和和静静压压能能外外，还还有有空空气气定定向向运运动动的的动动能能，用用E Ev v表表示示，J/mJ/m3 3；其其动动能能所所转转化化显显现现的的压压力力叫叫动动压压或或称称速速压压，用用符符号号h hv v表示，单位表示，单位PaPa。（2)2)动压的计算动压的计算 单位体积空气所具有的动能为：单位体积空气所具有的动能为：E Evi vi i iVV2 20.50.5 式中：式中：i i I I点的空气密度，点的空气密度，Kg/m3Kg/m3；v vI I点的空气流速，点的空气流速，m/sm/s。E Evivi对外所呈现的动压对外所呈现的动压h hvivi，其值相同。，其值相同。（3)3)动压的特点动压的特点 a.a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。b.b.动动压压总总是是大大于于零零。垂垂直直流流动动方方向向的的作作用用面面所所承承受受的的动动压压最最大大（即即流流动动方方向向上上的的动动压压真真值值）；当当作作用用面面与与流流动动方方向向有有夹夹角角时时，其其感感受受到到的的动压值将小于动压真值。动压值将小于动压真值。c.c.在在同同一一流流动动断断面面上上，由由于于风风速速分分布布的的不不均均匀匀性性，各各点点的的风风速速不不相相等等，所以其动压值不等。所以其动压值不等。d.d.某断面动压即为该断面平均风速计算值。某断面动压即为该断面平均风速计算值。（）全压（）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，两者之两者之和称之为该点风流的和称之为该点风流的全压全压，即：，即：全压静压动压全压静压动压。由于静压有绝对和相对之分，故全压也有由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对绝对和相对之分。之分。、绝对全压（、绝对全压（P Ptiti）P Ptiti P Pi ih hvivi B B、相对全压（、相对全压（h htiti）h htiti h hi ih hvivi P Ptiti P Poioi 说明说明：A A、相对全压有正负之分、相对全压有正负之分；B B、无论正压通还是负压通风，、无论正压通还是负压通风，P PtitiPPi i h htiti h hi i。二、风流的点压力之间相互关系二、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风流的点压力是指测点的单位体积(1m(1m3 3)空气所具有的压力。通风管道空气所具有的压力。通风管道中流动的风流的点压力可分为：中流动的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 i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：h hvivi=P=Ptiti-P-Pi i h hvivi、h hI I和和h htiti三者之间的关系为：三者之间的关系为：h hti ti =h=hi i +h+hvivi 。压入式通风（正压通风）压入式通风（正压通风）：风流中任一点的：风流中任一点的相对全压恒相对全压恒为正。为正。P Ptiti and P and Pi i P Po io i h hi i ，h h titi 0 0 且且 h h titi h hi i ，h hti ti =h=hi i +h+hvivi 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大于风机进口的压力。抽出式通风（负压通风）：抽出式通风（负压通风）：风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式通风由于通风由于hti hti 和和 hi hi 为负，实际计算时取其绝对值进行计算。为负，实际计算时取其绝对值进行计算。P Ptiti and P and Pi i P Po io i h h titi 0 0 且且 h h titi h hi i ，但，但|h|h titi|h|hi i|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。过程中取其绝对值进行计算。即：即：|h hti ti|=|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，即入口风流的绝对压力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小于风机进口的压力。风流点压力间的关系风流点压力间的关系abPa真空真空P0Pbha(+)hb(-)P0Pathvhat(+)hvhbt(-)Pbt抽出式通风抽出式通风压入式通风压入式通风压入式通风压入式通风抽出式通风抽出式通风例例题题2-2-1 2-2-1 如如图图压压入入式式通通风风风风筒筒中中某某点点i i的的hi=1000Pahi=1000Pa，hvi=150Pahvi=150Pa，风风筒外与筒外与i i点同标高的点同标高的P0i=101332PaP0i=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点的绝对静压点的绝对静压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例例题题2-2-2 2-2-2 如如图图抽抽出出式式通通风风风风筒筒中中某某点点i i的的h hi i=1000Pa=1000Pa，h hvivi=150Pa=150Pa，风风筒外与筒外与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点的绝对静压点的绝对静压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)|hti ti|=|h|=|hi i|h hvivi 1000-150=850Pa1000-150=850Pa h hti ti 850 Pa 850 Pa (3)P (3)Ptiti=P=P0i0i+h+htiti=101332.5-850=100482Pa=101332.5-850=100482Pa三、风流点压力的测定三、风流点压力的测定、矿井主要压力测定仪器仪表、矿井主要压力测定仪器仪表 （）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。（）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、补偿式水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。微压计、倾斜单管压差计。（）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、压力测定、压力测定 （）绝对压力直接测量读数。（）绝对压力直接测量读数。（）相对静压（）相对静压(以如图正压通风为例以如图正压通风为例)（注意连接方法）：（注意连接方法）：hP0izP0 i推导如图推导如图 h=hh=hi i?以水柱计的等压面以水柱计的等压面0 0 0 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，胶皮管内的空气平均密度为，胶皮管内的空气平均密度为m m，胶皮管外的空气平均密度为胶皮管外的空气平均密度为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 00两侧的受力分别为：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 P+水水gh gh P P0i 0i+m mg(z-h)+g(z-h)+水水ghgh 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+mg(z-h)+mg(z-h)+水水ghgh P P0i0i+m mgzgz 若若 m m m m 有有：水水 m m （PaPa）（mmHmmH2 20 0）对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：z zP P0 i0 ih h0 00 0说明：（说明：（I I）水柱计上下移动时，）水柱计上下移动时，h hi i 保持不变；保持不变；（IIII）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上同一断面上 h hi i 相同。相同。（）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）z zP P0 i0 ih ht th hi ih hv v作业作业2-12-12-32-32-42-4另外作业另外作业测得风筒内某点测得风筒内某点i i相对压力相对压力如图所示，求动压，并判断如图所示，求动压，并判断通风方式通风方式zP0 i100150hv本节课重点本节课重点能量方程及在矿井中的应用能量方程及在矿井中的应用第三节第三节 矿井通风中的能量方程矿井通风中的能量方程 当空气在井巷中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；当空气在井巷中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，使为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，使得通风阻力和通风动力相平衡。得通风阻力和通风动力相平衡。一、空气流动连续性方程一、空气流动连续性方程 在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空间。在间。在无点源或点汇无点源或点汇存在时，存在时，根据质量守恒定律根据质量守恒定律：对于稳定流，：对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。如图井巷中风流从如图井巷中风流从1 1断面流向断面流向2 2 断面，作定常流动时，有：断面，作定常流动时，有：Mi=constMi=const V V1 1 S S1 1 V V S S 、2 2 1 1、2 2断面上空气的平均密度，断面上空气的平均密度，kg/mkg/m3 3；V V1 1,，V V2 21 1、2 2 断面上空气的平均流速，断面上空气的平均流速，m/sm/s；S S1 1、S S2 2 1 1、断面面积，、断面面积，m m2 2。两种特例两种特例：（I I）若若 S S1 1S S2 2 ，则则 V V1 1 V V ；（IIII）若若 ，则则 V V1 1 S S1 1 V V S S 。对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即Q=vQ=vi iS Si i=const=const二、可压缩流体的能量方程二、可压缩流体的能量方程能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。（一）、单位质量（一）、单位质量(1kg)(1kg)流量的能量方程流量的能量方程 在井巷通风中，在井巷通风中，风流的能量风流的能量由由机械能机械能（静压能、动压能、位能静压能、动压能、位能）和）和内能内能组成，常用组成，常用1kg1kg空气或空气或1m1m3 3空气所具有的能量表示。空气所具有的能量表示。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：风流内部所具有的风流内部所具有的分子内动能分子内动能与与分子位能分子位能之和。空气的内之和。空气的内能是空气状态参数的函数，即：能是空气状态参数的函数，即：u =fu =f（T T，P P）。能量分析）。能量分析z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqR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：假设：假设：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，断面的过程中，L LR R（J/kgJ/kg）：克服流动阻力消耗的能量；）：克服流动阻力消耗的能量；q qR R（J/kgJ/kg）：）：L LR R 部分转化的热量部分转化的热量(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仍存在于空气中）；热能仍存在于空气中）；q q（J/kgJ/kg）：外界传递给风流的热量（岩石、机电设备等）。）：外界传递给风流的热量（岩石、机电设备等）。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（根据热力学第一定律，传给空气的热量（q qR R+q+q），一部分用于增加空），一部分用于增加空气的内能，一部分使空气膨胀对外作功，即：气的内能，一部分使空气膨胀对外作功，即：式中：式中：v v为空气的比容，为空气的比容，m m3 3/kg/kg。又因为：又因为：上述三式整理得：上述三式整理得：即为：即为：单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程的一单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程的一般形式。般形式。式中式中 称为伯努力积分项，它反映了风流从称为伯努力积分项，它反映了风流从1 1断面流至断面流至2 2断面的过程中的静压能变化，它与空气流动过程的状态密切相关。对于断面的过程中的静压能变化，它与空气流动过程的状态密切相关。对于不同的状态过程，其积分结果是不同的。不同的状态过程，其积分结果是不同的。对于多变过程，过程指数为对于多变过程，过程指数为 n n ，对伯努利积分进行积分计算，可得到：，对伯努利积分进行积分计算，可得到：单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程可写成如下一般单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程可写成如下一般形式。形式。其中其中 过程指数过程指数n n按下式计算：按下式计算：有压源有压源 L Lt t 在时，单位质量可压缩空气井巷中流动时能量方程可写成如下一在时，单位质量可压缩空气井巷中流动时能量方程可写成如下一般形式。般形式。令令式中式中 m m表示表示1 1，2 2断面间按状态过程考虑的空气平均密度，得断面间按状态过程考虑的空气平均密度，得则单位质量流量的能量方程式又可写为则单位质量流量的能量方程式又可写为（二）、单位体积（二）、单位体积(1m(1m3 3)流量的能量方程流量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。在考虑空气）流体的能量方程。在考虑空气的可压缩性时，那么的可压缩性时，那么1m1m3 3 空气流动过程中的能量损失（空气流动过程中的能量损失（h hR R，J/mJ/m3 3（PaPa），），即通风阻力）可由即通风阻力）可由1kg1kg空气流动过程中的能量损失（空气流动过程中的能量损失（L LR R J/Kg J/Kg）乘以按流动）乘以按流动过程状态考虑计算的空气密度过程状态考虑计算的空气密度 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)流量的流量的能量方程的书写形式为能量方程的书写形式为：几点说明：几点说明：1 1、1m1m3 3 空气在流动过程中的能量损失（通风阻力）等于两断空气在流动过程中的能量损失（通风阻力）等于两断面间的机械能差。面间的机械能差。2 2、g g m m（Z Z1 1-Z-Z2 2）是是1 1、2 2 断面的位能差。当断面的位能差。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测段分为若干段，计算各测定断面的空气密度度(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。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断面的位能差，基准面可选断面的位能差，基准面可选在在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，其基准面应选两断面的位能差，其基准面应选在在0-00-0位置。其位能差为：位置。其位能差为：、是是1 1、2 2两断面上的动能差两断面上的动能差 A A、在矿井通风中，因其动能差较小，故在实际应用时，式中可分在矿井通风中，因其动能差较小，故在实际应用时，式中可分别用各自断面上的密度代替计算其动能差。即上式写成：别用各自断面上的密度代替计算其动能差。即上式写成：其中：其中：、2 2分别为分别为1 1、断面风流的平均气密度。、断面风流的平均气密度。12300B B、动能系数、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。：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。即：即：因为能量方程式中的因为能量方程式中的v v1 1、v v2 2分别为分别为1 1、2 2断面上的平均风速。由于井巷断断面上的平均风速。由于井巷断面上风速分布的不均匀性，用断面平均风速计算出来的断面总动能与断面上风速分布的不均匀性，用断面平均风速计算出来的断面总动能与断面实际总动能不等。需用动能系数面实际总动能不等。需用动能系数K Kv v加以修正。在矿井条件下，加以修正。在矿井条件下，K Kv v一般一般为为1.021.021.051.05。由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取。由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取K Kv v为为1 1。因此，在进行了上述两项简化处理后，单位体积流体的能量方程可近似因此，在进行了上述两项简化处理后，单位体积流体的能量方程可近似的写成：的写成：或或 J Jm m3 3 （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.能量方程的意义是，表示能量方程的意义是，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（静压断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。能、动压能和位能）的变化量。2.2.风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。究的始、末断面要选在缓变流场上。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。在判断风风流总是从总能量（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一流方向时，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。如不知风流方向，列能量方程时，项。如不知风流方向，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，说明风流方向假设正确；如果，说明风流方向假设正确；如果为负为负，则，则风流方与假设相反。风流方与假设相反。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，则压源成为通风阻力。压源成为通风阻力。.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 312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-Z212 =382.26 J/kg382.26 J/kg 又又 =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。第四节第四节 能量方程在矿井通风中的应用能量方程在矿井通风中的应用一、水平风道的通风能量（压力）坡度线一、水平风道的通风能量（压力）坡度线（一）、（一）、能量（压力）坡度线的作法能量（压力）坡度线的作法 意义：意义：掌握压力沿程变化情况；有利于通风管理。掌握压力沿程变化情况；有利于通风管理。如图所示的通风机水平风道系统，绘制能量（压力）坡度线。如图所示的通风机水平风道系统，绘制能量（压力）坡度线。012345678910P0压力压力Pa流程流程扩散器扩散器H thR12hR78、风流的边界条件、风流的边界条件 入口断面处：入口断面处：风流入口断面处的风流入口断面处的绝对全压等于大气压绝对全压等于大气压（可用能量方程（可用能量方程加以证明，对入口断面的内外侧列能量方程并忽略极小的入口流动损失）加以证明，对入口断面的内外侧列能量方程并忽略极小的入口流动损失），即：，即：P Ptintin=P=P0 0，所以，所以，h htintin=0=0，h hinin=-h=-hvinvin；出口断面处出口断面处 ：风流出口断面处的风流出口断面处的绝对静压等于大气压绝对静压等于大气压（可用能量方程加（可用能量方程加以证明，对出口断面的内外侧列能量方程并忽略极小的出口流动损失），以证明，对出口断面的内外侧列能量方程并忽略极小的出口流动损失），即：即：P Pexex=P=P0 0，所以，所以，h hexex=0=0，h htextex=h=hvexvex；、作图步骤、作图步骤）、以纵坐标为压力（相对压力或绝对压力），横坐标为风流流程。）、以纵坐标为压力（相对压力或绝对压力），横坐标为风流流程。）、根据边界条件确定起始点位置。）、根据边界条件确定起始点位置。）、将各测点的相对静压和相对全压与其流程的关系描绘在坐标）、将各测点的相对静压和相对全压与其流程的关系描绘在坐标）、最后将图上的同名参数点用直线或曲线连接起来，就得到所要绘制）、最后将图上的同名参数点用直线或曲线连接起来，就得到所要绘制的能量（压力）坡度线。的能量（压力）坡度线。（二）、（二）、能量（压力）坡度线的分析能量（压力）坡度线的分析1 1、通风阻力与能量（压力）坡度线的关系通风阻力与能量（压力）坡度线的关系 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：程知，任意两断面间的通风阻力就等于两断面的全压差：（P P0i 0i =P=P0j 0j ）a a、抽出段抽出段 求入口断面至求入口断面至i i断面的通风阻力，由上式得：断面的通风阻力，由上式得：h hR0R0i i =h=ht0t0h hti ti =h h titi （h ht0t0=0=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。求负压段任意两断面（求负压段任意两断面（i i、j j）的通风阻力：）的通风阻力：h hRiRij j =P=PtitiP Ptjtj h htiti=P=Ptiti-P-P0i 0i 又又|h|hti ti|=|h|=|hi i|h hvivi 代入上式得：代入上式得：P Ptiti=P=P0i0i|h|hi i|h hvivi 同理：同理：P Ptjtj=P=P0i0i|h|hj j|h hvjvj h hRiRij j =(P=(P0i0i|h|hi i|h hvivi)(P(P0i0i|h|hj j|h hvjvj)|h|hj j|h|hi i|+h|+hvjvj h hvivi|h|htj tj|h|htiti|若若 h hvivi h hvjvj h hRiRij j|h|hj j|h|hi i|b b、压入段压入段 求任意断面求任意断面i 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：h hRiRi10 10 =h=hti ti h ht10 t10=h=htiti h hv10v10 (h (h1010=0=0）即：即：压入段任意断面压入段任意断面i i至出口的通风阻力（至出口的通风阻力（h hRiRi1010）等于该断面的相对全）等于该断面的相对全压（压（h htiti）减去出口断面的动压（）减去出口断面的动压（h hv10v10）。求正压段任意两断面（求正压段任意两断面（i i、j j）的通风阻力：）的通风阻力：同理可推导两断面之间的通风阻力为：同理可推导两断面之间的通风阻力为：h hRiRij j h htiti h htjtj2 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（相对全压）沿程是（相对全压）沿程是逐渐减小逐渐减小的；的；绝对绝对静压静压（相对静压）沿程分布是（相对静压）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。3 3、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（的是否合理，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）相比较来确定，即：）相比较来确定，即：h hv v=h=hvexvexh hvexvex h hRdRd 合理合理 h hv v=h=hvexvexh hvexvex h h hR9R91010，则，则，h h9 90 0 （为负值）（为负值）因此，测定扩散器中的相对静值就可判断扩散器的安装是否合理，因此，测定扩散器中的相对静值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。1099（三）、通风机全压（三）、通风机全压（H Ht t）1 1、通风机全压的概念、通风机全压的概念通风机的作用通风机的作用：就是将电能转换为风流的机械能，促使风流流动。：就是将电能转换为风流的机械能，促使风流流动。通风机通风机的全压的全压H Ht t等于通风机出口全压与入口全压之差等于通风机出口全压与入口全压之差：H Ht t=P=Pt6t6P Pt5t5 2 2、通风机全压、通风机全压H Ht t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 由能量方程和能量（压力）坡度线可以看出：由能量方程和能量（压力）坡度线可以看出：h hR6R610 10=P=Pt6t6P Pt10t10 P Pt6 t6=h=hR6R61010P Pt10t10，h hR0R05 5=P=Pt 0t 0P Pt5t5 P Pt5 t5=P=Pt 0t 0h hR0R05 5，H Ht t=P=Pt6t6P Pt5 t5=h=hR6R61010P Pt10t10（P Pt 0t 0h hR0R05 5）=h =hR6R61010P P0 0h hv10v10（P P0 0h hR0R05 5）=h=hR6R61010h hv10v10h hR0R05 5 H Ht t=h=hR0R01010h hv10v10 通风机全压是用以克服风道通风阻力和出口动能损失。通风机全压是用以克服风道通风阻力和出口动能损失。通风机用于克服风道阻力的那一部分能量叫通风机的静压通风机用于克服风道阻力的那一部分能量叫通风机的静压H Hs s。H Hs s=h hR0R010,10,H Ht t=H Hs s h hv10v10 两个特例两个特例：a a）、无正压通风段（）、无正压通风段（6 6断面直接通大气断面直接通大气）通风机全压仍为：通风机全压仍为：H Ht t=P=Pt6t6P Pt5t5 P Pt5t5=P=Pt th hR R5 5 ；P Pt6t6=P=P0 0h hv6v6 H Ht t=h=hR R5 5h hv6v6b b）、无负压通风段（）、无负压通风段（断面直接通大气断面直接通大气）P Pt6t6=h=hR6R61010P Pt10t10，P Pt10t10=P=P0 0h hv10v10；P Pt5t5=P=P0 0 H Ht t=h=hR6R61010h hv10v10 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。阻力。抽出式通风方式抽出式通风方式压入式通风方式压入式通风方式5066510二、通风系统风流能量（压力）坡度线二、通风系统风流能量（压力）坡度线(一一)通风系统风流能量（压力）坡度线通风系统风流能量（压力）坡度线 绘制矿井通风系统的能量（压力）坡度线绘制矿井通风系统的能量（压力）坡度线(一般用绝对压力一般用绝对压力)的的方法：方法：是沿风流流程布设若干测点，测出各点的绝对静压、风速、温度、湿是沿风流流程布设若干测点，测出各点的绝对静压、风速、温度、湿度、标高等参数，计算出各点的动压、位能和总能量；然后在压力度、标高等参数，计算出各点的动压、位能和总能量；然后在压力（纵坐标）（纵坐标）风流流程（横坐标）坐标图上描出各测点，将同名风流流程（横坐标）坐标图上描出各测点，将同名参数点用折线连接起来，即是所要绘制的通风系统风流能量（压力）参数点用折线连接起来，即是所要绘制的通风系统风流能量（压力）坡度线。坡度线。以下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以下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流路线上能量(压力压力)坡度线的画法。坡度线的画