礦井空氣流動基本理論.ppt

1,第二章 礦井空氣流動的基本理論,2,第一節(jié) 空氣的主要物理參數(shù),第二節(jié) 風(fēng)流的能量與壓力,第三節(jié) 礦井通風(fēng)中的能量方程,第四節(jié) 能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用,3,上次課內(nèi)容回顧 1)、上次課所講的主要內(nèi)容 礦井空氣成分，礦井空氣中主要成分的質(zhì)量（濃度）標(biāo)準(zhǔn)、礦井中有毒、有害氣體的基本性質(zhì)和危害性及安全濃度標(biāo)準(zhǔn)。礦井氣候條件平衡量指標(biāo)（干球溫度、濕球溫度、等效溫度、同感溫度、卡他度）。 2)、能解決的實際問題 （1）要保證作業(yè)人員健康，井下空氣質(zhì)量和數(shù)量的最低要求； （2）礦井空氣中氧氣（O2），二氧化碳（CO2）的濃度要求； （3）各種有害氣體的危害性與最高允許濃度標(biāo)準(zhǔn)； （4）礦井氣候條件衡量方法與指標(biāo)，保證有一個舒適的作業(yè)環(huán)境。,4,第二章 礦井空氣流動的基本理論,本章的重點： 1、空氣的物理參數(shù)-T、P、； 2、風(fēng)流的能量與點壓力-靜壓，靜壓能；動壓、動能；位能；全壓；抽出式和壓入式相對靜壓、相對全壓與動壓的關(guān)系 3、能量方程 連續(xù)性方程；單位質(zhì)量能量方程、單位體積能量方程 4、能量方程在礦井中的應(yīng)用-邊界條件、壓力坡度圖 本章的難點： 點壓力之間的關(guān)系 能量方程及其在礦井中的應(yīng)用,5,思考題,1、一年中冬季還是夏季大氣壓力大？一天中那個時間大氣壓力最?。?2、溫度與壓力相同時，干空氣密度大還是濕空氣密度大？ 3、為什么位能不能用儀表直接測量？ 4、測定風(fēng)流點壓力時，水柱計放置位置對測值有影響嗎？ 5、為什么會在正壓通風(fēng)會出現(xiàn)相對靜壓為負(fù)值的區(qū)段？ 6、風(fēng)機(jī)全壓主要是來克服哪些能量的？ 7、為什么抽出式風(fēng)機(jī)要加擴(kuò)展器？,6,第二章 礦井空氣流動的基本理論,主要研究內(nèi)容：礦井空氣沿井巷流動過程中宏觀力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律以及能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。介紹空氣的主要物理參數(shù)、性質(zhì)，討論空氣在流動過程中所具有的能量（壓力）及其能量的變化。根據(jù)熱力學(xué)第一定律和能量守恒及轉(zhuǎn)換定律，結(jié)合礦井風(fēng)流流動的特點，推導(dǎo)了礦井空氣流動過程中的能量方程，介紹了能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用。,7,一、溫度 溫度是描述物體冷熱狀態(tài)的物理量。測量溫度的標(biāo)尺簡稱溫標(biāo)。礦井表示氣候條件的主要參數(shù)之一。 國際單位為：熱力學(xué)溫標(biāo)，其單位為K (kelvin),用符號T來表示，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定純水三相態(tài)點溫度（汽、液、固三相平衡態(tài)時的溫度）為基本定點，定義為273.15K。 常用的攝氏溫標(biāo)為實用溫標(biāo)，用t表示，單位為攝氏度。 攝氏溫標(biāo)的每1與熱力學(xué)溫標(biāo)的每1K完全相同，它們之間的關(guān)系為：T=273.15+t 溫度是礦井表征氣候條件的主要參數(shù)，規(guī)程規(guī)定：生產(chǎn)礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過26，機(jī)電硐室的空氣溫度不得超過30。,第一節(jié) 空氣的主要物理參數(shù),物理參數(shù),8,二、壓力（壓強） 在礦井通風(fēng)學(xué)中，習(xí)慣把壓強稱為壓力。 大氣壓力：地球表面一層很厚的空氣層對地面所形成的壓力。其大小取決于大重力場中位置相對高度，空氣相對溫度、濕度（相對濕度）和氣體成分等參數(shù)。 空氣的壓力也稱為空氣的靜壓，用符號P表示。它是空氣分子熱運動對器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。 計算公式為：P=2/3n(1/2mv2) 氣體的靜壓力是單位體積內(nèi)氣體分子不規(guī)則熱運動總動能的2/3轉(zhuǎn)化為能對外做功的機(jī)械能的宏觀表現(xiàn)，故壓力的大小表示單位體積氣體的壓能的數(shù)量，這是氣體所具有的普遍的物理性質(zhì)，其大小可以用儀器來測量，空盒氣壓計、水銀氣壓計、水柱計、精密氣壓計等可以用來測量壓力。,物理參數(shù),9,在地球引力（重力）場中的大氣層空氣由于重力的影響，空氣的密度與壓力均隨著離地表的高度而減小。大氣層的存在和大氣壓力隨高度而變化的規(guī)律是分子熱運動和地球引力作用兩者協(xié)調(diào)的結(jié)果，如果沒有地球引力則空氣分子將逸散到廣大的宇宙空間而不變存在在大氣層。 在物理學(xué)中，單位體積氣體的分子數(shù)n，在重力場中隨高度分布的規(guī)律用波茲曼公式表示： no-海平面（z=o）單位體積的分子數(shù)； -空氣的摩爾質(zhì)量，28.97Kg/kmol； T-空氣溫度，T=273.15+t，K； g-重力加速度，9.81m/s2； RO-通用氣體常數(shù)（摩爾氣體恒量），8314 J/(kmolk)；,物理參數(shù),10,其大氣壓力隨高度的變化規(guī)律與上式相似，如下式所示。其中Po-海平面（z=o）大氣壓力；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力取R為干空氣的氣體常數(shù)，R=R0/=287J/kg.K。,不同標(biāo)高處的空氣壓力比值,實際上各地的大氣壓力還和地表氣象因素有關(guān)，一年四季，甚至一晝夜內(nèi)都有明顯的變化。例如：淮南一晝夜內(nèi)氣壓變化一般為270400Pa有時可達(dá)1300Pa，一年中大氣壓變化可高達(dá)40005300Pa。 一般來講，在同一水平面，不大的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為空氣壓力是相同的。,物理參數(shù),11,礦井常用壓強單位：Pa Mpa mmHg mmH20 bar mmbar atm 等。 換算關(guān)系： 1atm =760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa 1mmHg = 13.6mmH20 = 133.32 Pa 1mmbar = 100 Pa =10.19mmH20 1mmH20 = 9.81 Pa,物理參數(shù),12,三、濕度 表示空氣中所含水蒸汽量的多少或潮濕程度。表示空氣濕度的方法：絕對濕度、相對溫度和含濕量三種 、絕對濕度 每立方米空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量叫空氣的絕對濕度。其單位與密度單位相同（Kg/ m3），其值等于水蒸汽在其分壓力與溫度下的密度。v=Mv/V 飽和空氣：在一定的溫度和壓力下，單位體積空氣所能容納水蒸汽量是有極限的，超過這一極限值，多余的水蒸汽就會凝結(jié)出來。這種含有極限值水蒸汽的濕空氣叫飽和空氣，這時水蒸氣分壓力叫飽和水蒸分壓力，PS，其所含的水蒸汽量叫飽和濕度s 。 、相對濕度 單位體積空氣中實際含有的水蒸汽量（V）與其同溫度下的飽和水蒸汽含量（S）之比稱為空氣的相對濕度 V S 反映空氣中所含水蒸汽量接近飽和的程度。,絕對濕度只能說明空氣中實際含有水蒸氣量，并不能說明其飽和程度。 如18的空氣，飽和水蒸氣量為sat=0.01536kg/m3， 在30時，sat=0.03037kg/m3。 當(dāng)溫度為30時，若仍含有0.01536 kg/m3水蒸氣時， 則還有相當(dāng)大的容納水分的能力，而認(rèn)為是比較干燥的空氣。所以此時在實際上常用相對濕度來表示空氣的干濕程度。,物理參數(shù),13,愈小 空氣愈干爆， 為干空氣； 愈大 空氣愈潮濕， 為飽和空氣。 溫度下降，其相對濕度增大，冷卻到=1時的溫度稱為露點 例如：甲地：t = 18 ， V 0.0107 Kg/m3, 乙地：t = 30 ， V 0.0154 Kg/m3 解：查附表 當(dāng)t為18 ， s 0.0154 Kg/m3, , 當(dāng)t為 30 ， s 0.03037 Kg/m3, 甲地： V S0.7 70 % 乙地： V S0.5151 % 乙地的絕對濕度大于甲地，但甲地的相對濕度大于乙地，故乙地的空氣吸濕能力強。 露點：將不飽和空氣冷卻時，隨著溫度逐漸下降，相對濕度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到100時，此時的溫度稱為露點。 上例 甲地、乙地的露點分別為多少？,物理參數(shù),14,物理參數(shù),15,1 kg 理想氣體,、含濕量 含有1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量（kg）稱為空氣的含濕量。d= V d, 干空氣的氣體常數(shù) Rd=287.041J/（kg*k） 水蒸氣的氣體常數(shù) Rd=461.393J/（kg*k） V= Ps/461T d=(P-Ps)/287T d=0.622 Ps/(P- Ps) 四、焓 焓是一個復(fù)合的狀態(tài)參數(shù)，它是內(nèi)能u和壓力功PV之和，焓也稱熱焓。i=id+diV=1.0045t+d(2501+1.85t) 實際應(yīng)用焓-濕圖（I-d),n mol 理想氣體,物理參數(shù),16,水蒸氣分壓力（102Pa）,含濕量（g/kg干空氣）,溫度 ,焓（kJ/kg干空氣）,12,13,14,22,23,24,5,10,15,0,20,15,12,相對濕度,=60%,=100%,35,40,45,P=101325 t=20 =60% 應(yīng)用焓-濕圖（i-d) 求其他參數(shù),焓i=42.5,水蒸氣分壓力=1380,含濕量=8.8,濕球溫度=15,露點=12,當(dāng)前溫度下的飽和水蒸氣分壓力=2300,物理參數(shù),17,五、粘性 流體抵抗剪切力的性質(zhì)。當(dāng)流體層間發(fā)生相對運動時，在流體內(nèi)部兩個流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力(內(nèi)摩擦力)以阻止相對運動，流體具有的這一性質(zhì)，稱作流體的粘性。其大小主要取決于溫度。 根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律有： 式中：比例系數(shù)，代表空氣粘性，稱為動力粘性或絕對粘度。其國際單位：帕.秒，寫作：Pa.S。 運動粘度為： 溫度是影響流體粘性主要因素，氣體，隨溫度升高而增大，液體而降低,粘性取決于分子間的吸引力和熱運動動量交換。 溫度升高，則分子間的吸引力降低，動量會增加。 對于液體，分子間的吸引力為主要影響因素； 對于氣體，分子間熱運動產(chǎn)生動量交換是決定性因素。,物理參數(shù),18,六、密度 單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度， 與P、t、濕度等有關(guān)。濕空氣密度為干空氣密度和水蒸汽密度之和，即： V= Ps/461T d=(P-Ps)/287T 根據(jù)氣體狀態(tài)方程，可推出空氣密度計算公式： 式中：P為大氣壓，sat為飽和水蒸汽壓，單位：Pa； 為相對濕度；為空氣絕對溫度，T= t + 273 , K。 式中：P為大氣壓，sat為飽和水蒸汽壓，單位：mmHg。 注意：和sat 單位一致。,物理參數(shù),19,八、密度計算 例1：測知某巷道內(nèi)空氣壓力為P=100017Pa，干溫度td=18.3,濕溫度為tw=18.1,求空氣密度。 解：,經(jīng)查可知：=98%，Psat=2102Pa,物理參數(shù),20,物理參數(shù),21,干溫度td=20.6,濕溫度為tw=16.3，,=64.5%,物理參數(shù),22,第二節(jié) 風(fēng)流的能量與壓力 能量與壓力是通風(fēng)工程中兩個重要的基本概念，壓力可以理解為：單位體積空氣所具有的能夠?qū)ν庾鞴Φ臋C(jī)械能。 一、風(fēng)流的能量與壓力 1.靜壓能靜壓 （1）靜壓能與靜壓的概念 空氣的分子無時無刻不在作無秩序的熱運動。這種由分子熱運動產(chǎn)生的分子動能的一部分轉(zhuǎn)化的能夠?qū)ν庾鞴Φ臋C(jī)械能叫靜壓能，Jm3，在礦井通風(fēng)中，壓力的概念與物理學(xué)中的壓強相同，即單位面積上受到的垂直作用力。靜壓Pa N/m2也可稱為是靜壓能，值相等 （）靜壓特點 a.無論靜止的空氣還是流動的空氣都具有靜壓力； b.風(fēng)流中任一點的靜壓各向同值，且垂直于作用面； c.風(fēng)流靜壓的大?。梢杂脙x表測量）反映了單位體積風(fēng)流所具有的能夠?qū)ν庾鞴Φ撵o壓能的多少。如說風(fēng)流的壓力為101332Pa，則指風(fēng)流1m3具有101332J的靜壓能。,區(qū)別：能量 促使空氣流動的根本原因是能量差 壓力 對外做功有力的表現(xiàn) 聯(lián)系: 風(fēng)流任一 斷面上都有壓能、位能和動能，而這三種能量又分別可用相應(yīng)的靜壓、位壓和動壓（速壓）來體現(xiàn)。,能量壓力,23,（）壓力的兩種測算基準(zhǔn)（表示方法） 根據(jù)壓力的測算基準(zhǔn)不同，壓力可分為：絕對壓力和相對壓力。 A、絕對壓力：以真空為測算零點（比較基準(zhǔn)）而測得的壓力稱之為絕對壓力，用 P 表示。 B、相對壓力： 以當(dāng)時當(dāng)?shù)赝瑯?biāo)高的大氣壓力為測算基準(zhǔn)(零點)測得的壓力稱之為相對壓力，即通常所說的表壓力，用 h 表示。 風(fēng)流的絕對壓力（P）、相對壓力（h）和與其對應(yīng)的大氣壓（P0）三者之間的關(guān)系如下式所示：h = P P0,Pa,真空,P0,Pb,ha(+),hb(-),P0,能量壓力,24,Pi 與 hi 比較： I、絕對靜壓總是為正，而相對靜壓有正負(fù)之分； II、同一斷面上各點風(fēng)流的絕對靜壓隨高度變化而變化，而相對靜壓與高度無關(guān)。 III、 Pi 可能大于、等于或小于與該點同標(biāo)高的大氣壓(P0i)。 2、重力位能 （1)重力位能的概念 物體在地球重力場中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一種能量叫重力位能，簡稱位能，用 EPO 表示。 如果把質(zhì)量為M（kg）的物體從某一基準(zhǔn)面提高Z（m），就要對物體克服重力作功M.g.Z（J），物體因而獲得同樣數(shù)量（M.g.Z）的重力位能。即： EPO=M.g.Z 重力位能是一種潛在的能量，它只有通過計算得 其大小，而且是一個相對值 。實際工作中一般計算位能差。 （）位能計算 重力位能的計算應(yīng)有一個參照基準(zhǔn)面。 Ep012= i gdzi 如下圖 1兩斷面之間的位能差：,能量壓力,25,（3)位能與靜壓的關(guān)系 當(dāng)空氣靜止時（v=0），由空氣靜力學(xué)可知：各斷面的機(jī)械能相等。設(shè)以2-2斷面為基準(zhǔn)面： 1-1斷面的總機(jī)械能 E1=EPO1+P1 2-2斷面的總機(jī)械能 E2=EPO2+P2 由E1=E2得： EPO1+P1=EPO2+P2 由于EPO2=0（2-2斷面為基準(zhǔn)面），EPO1=12.g.Z12， 所以：P2=EPO1+P1=12.g.Z12+P1 說明：、位能與靜壓能之間可以互相轉(zhuǎn)化。 II、在礦井通風(fēng)中把某點的靜壓和位能之和稱之為勢能。 （4)位能的特點 a.位能是相對某一基準(zhǔn)面而具有的能量，它隨所選基準(zhǔn)面的變化而變化。但位能差為定值。 b.位能是一種潛在的能量，它在本處對外無力的效應(yīng)，即不呈現(xiàn)壓力，故不能象靜壓那樣用儀表進(jìn)行直接測量。 c.位能和靜壓可以相互轉(zhuǎn)化，在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時遵循能量守恒定律。,能量壓力,26,3.動能動壓 （1)動能與動壓的概念 當(dāng)空氣流動時，除了位能和靜壓能外，還有空氣定向運動的動能，用Ev表示，J/m3；其動能所轉(zhuǎn)化顯現(xiàn)的壓力叫動壓或稱速壓，用符號hv表示，單位Pa。 （2)動壓的計算 單位體積空氣所具有的動能為：Evi iV20.5 式中： i i點的空氣密度，Kg/m3； vi點的空氣流速，m/s。 Evi對外所呈現(xiàn)的動壓hvi，其值相同。 （3)動壓的特點 a.只有作定向流動的空氣才具有動壓，因此動壓具有方向性。 b.動壓總是大于零。垂直流動方向的作用面所承受的動壓最大（即流動方向上的動壓真值）；當(dāng)作用面與流動方向有夾角時，其感受到的動壓值將小于動壓真值。 c.在同一流動斷面上，由于風(fēng)速分布的不均勻性，各點的風(fēng)速不相等，所以其動壓值不等。d.某斷面動壓即為該斷面平均風(fēng)速計算值。,能量壓力,27,（）全壓 風(fēng)道中任一點風(fēng)流，在其流動方向上同時存在靜壓和動壓，兩者之和稱之為該點風(fēng)流的全壓，即：全壓靜壓動壓。 由于靜壓有絕對和相對之分，故全壓也有絕對和相對之分。 、絕對全壓（Pti） Pti Pihvi B、相對全壓（hti） hti hihvi Pti Poi 說明：A、相對全壓有正負(fù)之分； B、無論正壓通風(fēng)還是負(fù)壓通風(fēng)，PtiPi hti hi。 二、風(fēng)流的點壓力之間相互關(guān)系 風(fēng)流的點壓力是指測點的單位體積(1m3)空氣所具有的壓力。通風(fēng)管道中流動的風(fēng)流的點壓力可分為：靜壓、動壓和全壓。 風(fēng)流中任一點i的動壓、絕對靜壓和絕對全壓的關(guān)系為：hvi=Pti-Pi hvi、hI和hti三者之間的關(guān)系為：hti = hi + hvi 。,能量壓力,28,壓入式通風(fēng)（正壓通風(fēng)）：風(fēng)流中任一點的相對全壓恒為正。 Pti and Pi Po i hi ， h ti 0 且 h ti hi ， hti = hi + hvi 壓入式通風(fēng)的實質(zhì)是使風(fēng)機(jī)出口風(fēng)流的能量增加，即出口風(fēng)流的絕對壓力大于風(fēng)機(jī)進(jìn)口的壓力。 抽出式通風(fēng)（負(fù)壓通風(fēng)）：風(fēng)流中任一點的相對全壓恒為負(fù)，對于抽出式通風(fēng)由于hti 和 hi 為負(fù)，實際計算時取其絕對值進(jìn)行計算。 Pti and Pi Po i h ti 0 且 h ti hi ，但| h ti | | hi | 實際應(yīng)用中，因為負(fù)通風(fēng)風(fēng)流的相對全壓和相對靜壓均為負(fù)值，故在計算過程中取其絕對值進(jìn)行計算。 即：| hti | = | hi | hvi 抽出式通風(fēng)的實質(zhì)是使風(fēng)機(jī)入口風(fēng)流的能量降低，即入口風(fēng)流的絕對壓力小于風(fēng)機(jī)出口的壓力。,能量壓力,29,hv,htb (-),hb(-),風(fēng)流點壓力間的關(guān)系,Pa,真空,P0,Pb,ha(+),P0,Pta,hv,hta (+),Ptb,抽出式通風(fēng),壓入式通風(fēng),壓入式通風(fēng),抽出式通風(fēng),能量壓力,30,例題2-2-1 如圖壓入式通風(fēng)風(fēng)筒中某點i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，風(fēng)筒外與i點同標(biāo)高的P0i=101332Pa，求： (1) i點的絕對靜壓Pi； (2) i點的相對全壓hti； (3) i點的絕對靜壓Pti。 解：(1) Pi=P0i+hi=101332+1000=102332Pa (2) hti=hi+hvi=1000+150=1150Pa (3) Pti=P0i+hti=Pi+hvi=101332.32+1150=Pa 例題2-2-2 如圖抽出式通風(fēng)風(fēng)筒中某點i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，風(fēng)筒外與i點同標(biāo)高的P0i=101332Pa，求： (1) i點的絕對靜壓Pi； (2) i點的相對全壓hti； (3) i點的絕對靜壓Pti。 解：(1) Pi=P0i+hi=101332.5-1000=100332Pa (2) | hti | = | hi | hvi 1000-150=850Pa hti 850 Pa (3) Pti=P0i+hti=101332.5-850=100482Pa,能量壓力,31,三、風(fēng)流點壓力的測定 、礦井主要壓力測定儀器儀表 （）絕對壓力測量：空盒氣壓計、精密氣壓計、水銀氣壓計等。 （）壓差及相對壓力測量：恒溫氣壓計、“”水柱計、補償式微壓計、傾斜單管壓差計。 （）感壓儀器：皮托管，承受和傳遞壓力，+ - 測壓 、壓力測定 （）絕對壓力直接測量讀數(shù)。 （）相對靜壓(以如圖正壓通風(fēng)為例) （注意連接方法）：,h,P0,i,z,P0 i,能量壓力,32,推導(dǎo)如圖 h = hi ? 以水柱計的等壓面0 0 為基準(zhǔn)面， 設(shè): i點至基準(zhǔn)面的高度為 Z ，膠皮管內(nèi)的空氣平均密度為m，膠皮管外的空氣平均密度為m；與i點同標(biāo)高的大氣壓P0i。 則水柱計等壓面 0 0兩側(cè)的受力分別為： 水柱計左邊等壓面上受到的力： P左 P+ 水gh P0i + mg(z-h)+ 水gh 水柱計右邊等壓面上受到的力： P右 Pi+mgz 由等壓面的定義有： P左 P右 ，即： P0i+mg(z-h)+ 水gh Pi+mgz,能量壓力,33,若 m m 有： 水 m 對于負(fù)壓通風(fēng)的情況請自行推導(dǎo)（注意連接方法）：,水柱高度,mmH2O,能量壓力,34,說明：（I）水柱計上下移動時，hi 保持不變； （II）在風(fēng)筒同一斷面上、下移動皮托管，水柱計讀數(shù)不變，說明同一斷面上 hi 相同。 （）相對全壓、動壓測量 測定連接如圖（說明連接方法及水柱高度變化）,ht,hi,hv,能量壓力,35,作業(yè),2-1 2-3 2-4 另外作業(yè) 測得風(fēng)筒內(nèi)某點i相對壓力如圖所示，求動壓，并判斷通風(fēng)方式,100,150,hv,能量壓力,36,本節(jié)課重點,能量方程及在礦井中的應(yīng)用 問題： 1、單位質(zhì)量與單位體積流量能量方程有哪些不同特點？ 2、我國礦井通風(fēng)中為何習(xí)慣使用單位體積流量能量方程 3、抽出式通風(fēng)的風(fēng)機(jī)出口為什么要外接擴(kuò)散器？,能量壓力,37,第三節(jié) 礦井通風(fēng)中的能量方程 當(dāng)空氣在井巷中流動時，將會受到通風(fēng)阻力的作用，消耗其能量；為保證空氣連續(xù)不斷地流動，就必需有通風(fēng)動力對空氣作功，使得通風(fēng)阻力和通風(fēng)動力相平衡。 一、空氣流動連續(xù)性方程 在礦井巷道中流動的風(fēng)流是連續(xù)不斷的介質(zhì)，充滿它所流經(jīng)的空間。在無點源或點匯存在時，根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對于穩(wěn)定流，流入某空間的流體質(zhì)量必然等于流出其的流體質(zhì)量。 如圖井巷中風(fēng)流從1斷面流向2 斷面，作定常流動時，有： Mi=const V1 S1 V S 、2 1、2斷面上空氣的平均密度，kg/m3 ； V1,，V21、2 斷面上空氣的平均流速，m/s； S1、S2 1、斷面面積，m2。,能量方程,38,若， 則 V1 S1 V S2 。 對于不可壓縮流體，通過任一斷面的體積流量相等，即 Q=viSi=const,能量方程,39,二、可壓縮流體的能量方程 能量方程表達(dá)了空氣在流動過程中的壓能、動能和位能的變化規(guī)律，是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用。 （一）、單位質(zhì)量(1kg)流量的能量方程 在井巷通風(fēng)中，風(fēng)流的能量由機(jī)械能（靜壓能、動壓能、位能）和內(nèi)能組成，常用1kg空氣或1m3空氣所具有的能量表示。 機(jī)械能：靜壓能、動壓能和位能之和。 內(nèi)能：風(fēng)流內(nèi)部所具有的分子內(nèi)動能與分子位能之和?？諝獾膬?nèi)能是空氣狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即：u = f（ T，P）。能量分析,p1、v1、u1,p2、v2、u2,q,LR,qR,能量方程,40,風(fēng)流靜壓的大小P（可以用儀表測量）反映了單位體積風(fēng)流所具有的能夠?qū)ν庾鞴Φ撵o壓能的多少，轉(zhuǎn)化為單位質(zhì)量的風(fēng)流所具有的靜壓能則為：,任一斷面風(fēng)流總機(jī)械能：壓能動能位能 任一斷面風(fēng)流總能量：壓能動能位能內(nèi)能， 所以，對單位質(zhì)量流體有：,假設(shè)：1kg空氣由1 斷面流至2 斷面的過程中， LR（J/kg）：克服流動阻力消耗的能量； qR（J/kg）：LR 部分轉(zhuǎn)化的熱量(這部分被消耗的能量將轉(zhuǎn)化成熱能仍存在于空氣中）； q（J/kg）：外界傳遞給風(fēng)流的熱量（巖石、機(jī)電設(shè)備等）。 根據(jù)能量守恒定律：,能量方程,41,根據(jù)熱力學(xué)第一定律，傳給空氣的熱量（qR+q），一部分用于增加空氣的內(nèi)能，一部分使空氣膨脹對外作功，即：,式中：v為空氣的比容，m3/kg。 又因為： 上述三式整理,能量方程,42,即為：單位質(zhì)量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動時能量方程的一般形式。 有壓源 Lt 在時，單位質(zhì)量可壓縮空氣井巷中流動時能量方程可寫成如下一般形式。,能量方程,43,式中 稱為伯努力積分項，它反映了風(fēng)流從1斷面流至2 斷面的過程中的靜壓能變化，它與空氣流動過程的狀態(tài)密切相關(guān)。對于不同的狀態(tài)過程，其積分結(jié)果是不同的。,絕熱過程,能量方程,44,能量方程,45,對于多變過程，過程指數(shù)為 n ，對伯努利積分進(jìn)行積分計算，可得到：單位質(zhì)量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動時能量方程可寫成如下一般形式。 其中 過程指數(shù)n按下式計算： 有壓源 Lt 在時，單位質(zhì)量可壓縮空氣井巷中流動時能量方程可寫成如下一般形式。,能量方程,46,式中 m表示1，2斷面間按狀態(tài)過程考慮的空氣平均密度，得,令,則單位質(zhì)量流量的能量方程式又可寫為,能量方程,47,（二）、單位體積(1m3)流量的能量方程 我國礦井通風(fēng)中習(xí)慣使用單位體積（1m3）流體的能量方程。在考慮空氣的可壓縮性時，那么1m3 空氣流動過程中的能量損失（hR，J/m3（Pa），即通風(fēng)阻力）可由1kg空氣流動過程中的能量損失（LR J/Kg）乘以按流動過程狀態(tài)考慮計算的空氣密度m，即：hR=LR.m；則單位體積(1m3)流量的能量方程的書寫形式為：,幾點說明：1、1m3 空氣在流動過程中的能量損失（通風(fēng)阻力）等于兩斷面間的機(jī)械能差。 2、gm（Z1-Z2）是1、2 斷面的位能差。當(dāng)1、2 斷面的標(biāo)高差較大的情況下，該項數(shù)值在方程中往往占有很大的比重，必須準(zhǔn)確測算。其中，關(guān)鍵是m的計算，及基準(zhǔn)面的選取。 m的測算原則：將12 測段分為若干段，計算各測定斷面的空氣密度(測定 P、t 、)，求其幾何平均值。 基準(zhǔn)面選?。喝y段之間的最低標(biāo)高作為基準(zhǔn)面。,能量方程,48,例如：如圖所示的通風(fēng)系統(tǒng)，如要求1、2斷面的位能差，基準(zhǔn)面可選在2的位置。其位能差為： 而要求1、3兩斷面的位能差，其基準(zhǔn)面應(yīng)選 在0-0位置。其位能差為： 、 是1、2兩斷面上的動能差 A、 在礦井通風(fēng)中，因其動能差較小，故在實際應(yīng)用時，式中可分別用各自斷面上的密度代替計算其動能差。即上式寫成： 其中： 、2分別為1、斷面風(fēng)流的平均氣密度。,能量方程,49,B、動能系數(shù)：是斷面實際總動能與用斷面平均風(fēng)速計算出的總動能的比。即： 因為能量方程式中的v1、v2分別為1、2斷面上的平均風(fēng)速。由于井巷斷面上風(fēng)速分布的不均勻性，用斷面平均風(fēng)速計算出來的斷面總動能與斷面實際總動能不等。需用動能系數(shù)Kv加以修正。在礦井條件下，Kv一般為1.021.05。由于動能差項很小，在應(yīng)用能量方程時，可取Kv為1。 因此，在進(jìn)行了上述兩項簡化處理后，單位體積流體的能量方程可近似的寫成： 或 Jm3,能量方程,50,補充：國內(nèi)最常用的公式：,能量方程,51,（三）、關(guān)于能量方程使用的幾點說明 1. 能量方程的意義是，表示1kg（或1m3）空氣由1斷面流向2斷面的過程中所消耗的能量（通風(fēng)阻力），等于流經(jīng)1、2斷面間空氣總機(jī)械能（靜壓能、動壓能和位能）的變化量。 2. 風(fēng)流流動必須是穩(wěn)定流，即斷面上的參數(shù)不隨時間的變化而變化；所研究的始、末斷面要選在緩變流場上。 3. 風(fēng)流總是從總能量（機(jī)械能）大的地方流向總能量小的地方。在判斷風(fēng)流方向時，應(yīng)用始末兩斷面上的總能量來進(jìn)行，而不能只看其中的某一項。如不知風(fēng)流方向，列能量方程時，應(yīng)先假設(shè)風(fēng)流方向，如果計算出的能量損失（通風(fēng)阻力）為正，說明風(fēng)流方向假設(shè)正確；如果為負(fù)，則風(fēng)流方與假設(shè)相反。 4. 正確選擇求位能時的基準(zhǔn)面。,能量方程,52,5. 在始、末斷面間有壓源時，壓源的作用方向與風(fēng)流的方向一致，壓源為正，說明壓源對風(fēng)流做功；如果兩者方向相反，壓源為負(fù)，則壓源成為通風(fēng)阻力。 . 應(yīng)用能量方程時要注意各項單位的一致性。 7、對于流動過程中流量發(fā)生變化，則按總能量守恒與轉(zhuǎn)換定律列方程,3,能量方程,53,例 1、 在某一通風(fēng)井巷中，測得1、2兩斷面的絕對靜壓分別為101324.7 Pa和101858 Pa，若S1=S2，兩斷面間的高差Z1-Z2=100米，巷道中m12=1.2kg/m3，求：1、2兩斷面間的通風(fēng)阻力，并判斷風(fēng)流方向。 解：假設(shè)風(fēng)流方向12，列能量方程： =（101324.7101858）01009.811.2 = 643.9 J/m3。 由于阻力值為正，所以原假設(shè)風(fēng)流方向正確，12。 例 2、在進(jìn)風(fēng)上山中測得1、2兩斷面的有關(guān)參數(shù)，絕對靜壓P1=106657.6Pa，P2=101324.72Pa；標(biāo)高差Z1-Z2=400m；氣溫t1=15，t2=20；空氣的相對濕度1=70%，2=80%；斷面平均風(fēng)速v1=5.5m/s，v2=5m/s；求通風(fēng)阻力LR、hR。 解：查飽和蒸汽表得；t1=15時，PS1=1704Pa；t2=20時，PS2=2337Pa；,Z1-Z2,1,2,能量方程,54,= 382.26 J/kg 又 ,能量方程,55,= 1.23877 kg/m3 = 475.19 J/m3 或 hR=LRm=382.261.23877= 473.53 J/m3。,能量方程,56,用國內(nèi)常用公式計算：,能量方程,57,第四節(jié) 能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用,一、水平風(fēng)道的通風(fēng)能量（壓力）坡度線 （一）、 能量（壓力）坡度線的作法 能量（壓力）坡度線的意義： 掌握能量（壓力）沿程變化情況； 通風(fēng)能量（壓力）與通風(fēng)阻力之間的相互關(guān)系以及相互轉(zhuǎn)化； 有利于通風(fēng)管理。,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,擴(kuò)散器,通風(fēng)機(jī),如圖所示的通風(fēng)機(jī)水平風(fēng)道系統(tǒng)，繪制能量（壓力）坡度線。,、風(fēng)流的邊界條件 入口斷面處： Ptin= P0，所以，htin= 0，hin= - hvin； 出口斷面處 ： Pex= P0，所以，hex= 0，htex= hvex；,礦井應(yīng)用,58,hv1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,P0,壓力Pa,流程,擴(kuò)散器,P真空,P1,靜壓坡度線,全壓坡度線,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,、作圖步驟 ）、以縱坐標(biāo)為壓力（相對壓力或絕對壓力），橫坐標(biāo)為風(fēng)流流程。 ）、根據(jù)邊界條件確定起始點位置。,）、將各測點的相對靜壓和相對全壓與其流程的關(guān)系描繪在坐標(biāo) ）、最后將圖上的同名參數(shù)點用直線或曲線連接起來，就得到所要繪制的能量（壓力）坡度線。,礦井應(yīng)用,59,3、擴(kuò)散器回收動能（相對靜壓為負(fù)值） hv= hvexhvex hRd 合理 hv= hvexhvex hR910，則， h9 = hR910（hv9hv10） h90 （為負(fù)值）,（三）、通風(fēng)機(jī)全壓（Ht） 1、通風(fēng)機(jī)全壓的概念 Ht = Pt6Pt5 2、通風(fēng)機(jī)全壓Ht與風(fēng)道通風(fēng)阻力、出口動能損失的關(guān)系 hR610 = Pt6Pt10 Pt6 = hR610Pt10， hR05 = Pt0Pt5 Pt5 = Pt0hR05， Ht = Pt6Pt5 = hR610Pt10（Pt0hR05） =hR610P0hv10（P0hR05）=hR610hv10hR05 Ht= hR010hv10 Hs = hR010, Ht= Hs hv10,b、 壓入段 求i斷面至出口斷面的通風(fēng)阻力： hRi10 = htiht10 = hti hv10 求任意兩斷面（i 、j ）的通風(fēng)阻力： hRij = PtiPtj= htihtj,10,（一）、能量（壓力）坡度線的作法 （二）、能量（壓力）坡度線的分析 1、通風(fēng)阻力與能量（壓力）坡度線關(guān)系 任意兩斷面間的通風(fēng)阻力就等于兩斷面的 全壓差： a、 抽出段 求入口斷面至i斷面的通風(fēng)阻力： hR0i = ht0hti = hti 求任意兩斷面（i 、j ）的通風(fēng)阻力： hRij = PtiPtj= htihtj = | htj | | hti |,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,2、能量（壓力）坡度線直觀明了地表達(dá)了風(fēng)流流動過程中的能量變化。 絕對全壓（相對全壓）沿程是逐漸減小的； 絕對靜壓（相對靜壓）沿程分布是隨動壓的大小變化而變化。,10,相對靜壓的負(fù)值越大，其擴(kuò)散器回收動能的效果越好。,礦井應(yīng)用,60,兩個特例： a）、無正壓通風(fēng)段（ 6斷面直接通大氣） 通風(fēng)機(jī)全壓仍為：Ht = Pt6Pt5 Pt5=PthR5 ；Pt6= P0hv6 Ht= hR5hv6 b）、無負(fù)壓通風(fēng)段（ 斷面直接通大氣） Pt6=hR610Pt10，Pt10=P0hv10；Pt5=P0 Ht=hR610hv10 無論通風(fēng)機(jī)作何種工作方式，通風(fēng)機(jī)的全壓都是用于克服風(fēng)道的通風(fēng)阻力和出口動能損失；其中通風(fēng)機(jī)靜壓用于克服風(fēng)道的通風(fēng)阻力。,抽出式通風(fēng)方式,壓入式通風(fēng)方式,5,0,6,6,5,10,礦井應(yīng)用,61,二、通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流能量（壓力）坡度線 (一) 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流能量（壓力）坡度線 繪制礦井通風(fēng)系統(tǒng)的能量（壓力）坡度線(一般用絕對壓力)的方法：是沿風(fēng)流流程布設(shè)若干測點，測出各點的絕對靜壓、風(fēng)速、溫度、濕度、標(biāo)高等參數(shù)，計算出各點的動壓、位能和總能量；然后在壓力（縱坐標(biāo)） 風(fēng)流流程（橫坐標(biāo)）坐標(biāo)圖上描出各測點，將同名參數(shù)點用折線連接起來，即是所要繪制的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流能量（壓力）坡度線。 以下圖所示簡化通風(fēng)系統(tǒng)為例，說明礦井通風(fēng)系統(tǒng)中有高度變化的風(fēng)流路線上能量(壓力)坡度線的畫法。,礦井應(yīng)用,62,作圖步驟：1. 確定基準(zhǔn)面。一般地，以最低水平(如2-3)為基準(zhǔn)面。 2. 測算出各斷面的總壓能(包括靜壓、動壓和相對基準(zhǔn)面的位能)。 3. 選擇坐標(biāo)系和適當(dāng)?shù)谋壤?。?