礦井通風(fēng)第2章-礦井空氣流動(dòng)基本理論課件

第二章

礦井空氣流動(dòng)的基本理論1第二章

礦井空氣流動(dòng)的基本理論1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(shí)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(gè)舒適的作業(yè)環(huán)境。3上次課內(nèi)容回顧3第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論本章的重點(diǎn)：1、空氣的物理參數(shù)----T、P、Φ、μ、ρ；2、風(fēng)流的能量與點(diǎn)壓力----靜壓，靜壓能；動(dòng)壓、動(dòng)能；位能；全壓；抽出式和壓入式相對(duì)靜壓、相對(duì)全壓與動(dòng)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(diǎn)：點(diǎn)壓力之間的關(guān)系能量方程及其在礦井中的應(yīng)用4第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論本章的重點(diǎn)：4思考題1、一年中冬季還是夏季大氣壓力大？一天中那個(gè)時(shí)間大氣壓力最?。?、溫度與壓力相同時(shí)，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(diǎn)壓力時(shí)，水柱計(jì)放置位置對(duì)測值有影響嗎？5、為什么會(huì)在正壓通風(fēng)會(huì)出現(xiàn)相對(duì)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？5思考題1、一年中冬季還是夏季大氣壓力大？一天中那個(gè)時(shí)間大氣壓第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論

主要研究內(nèi)容：礦井空氣沿井巷流動(dòng)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(dòng)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(dòng)的特點(diǎn)，推導(dǎo)了礦井空氣流動(dòng)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。6第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論主要研究內(nèi)容：礦井一、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(hào)T來表示，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定純水三相態(tài)點(diǎn)溫度（汽、液、固三相平衡態(tài)時(shí)的溫度）為基本定點(diǎn)，定義為273.15K。常用的攝氏溫標(biāo)為實(shí)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)7一、溫度第一節(jié)空氣的主要物理參數(shù)物理參數(shù)7二、壓力（壓強(qiáng)）

在礦井通風(fēng)學(xué)中，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。

大氣壓力：地球表面一層很厚的空氣層對(duì)地面所形成的壓力。其大小取決于大重力場中位置相對(duì)高度，空氣相對(duì)溫度、濕度（相對(duì)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(hào)P表示。它是空氣分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。計(jì)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(yùn)動(dòng)總動(dòng)能的2/3轉(zhuǎn)化為能對(duì)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(jì)、水銀氣壓計(jì)、水柱計(jì)、精密氣壓計(jì)等可以用來測量壓力。物理參數(shù)8二、壓力（壓強(qiáng)）物理參數(shù)8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(yùn)動(dòng)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)；μ---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），8314J/(kmol·k)；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/μ=287J/kg.K。不同標(biāo)高處的空氣壓力比值

標(biāo)高z/m+1000±0-1000p/po0.8881.01.126實(shí)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270～400Pa有時(shí)可達(dá)1300Pa，一年中大氣壓變化可高達(dá)4000～5300Pa。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)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-礦井常用壓強(qiáng)單位：PaMpammHgmmH20barmmbaratm等。

換算關(guān)系：1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa1mmHg=13.6mmH20=133.32Pa1mmbar=100Pa=10.19mmH20

1mmH20=9.81Pa物理參數(shù)11礦井常用壓強(qiáng)單位：PaMpammHg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(duì)濕度、相對(duì)濕度和含濕量三種。１、絕對(duì)濕度每立方米空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量叫空氣的絕對(duì)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(huì)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(shí)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

。２、相對(duì)濕度單位體積空氣中實(shí)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(duì)濕度φ＝V／S反映空氣中所含水蒸汽量接近飽和的程度。

絕對(duì)濕度只能說明空氣中實(shí)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ρsat=0.01536kg/m3，在30℃時(shí)，ρsat=0.03037kg/m3。當(dāng)溫度為30℃時(shí)，若只含有0.01536kg/m3水蒸氣時(shí)，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(shí)在實(shí)際上常用相對(duì)濕度來表示空氣的干濕程度。

物理參數(shù)12三、濕度絕對(duì)濕度只能說明空氣中實(shí)際含有水蒸氣量，并不能說明其Φ愈小空氣愈干爆，φ＝０為干空氣；φ愈大空氣愈潮濕，φ＝１為飽和空氣。溫度下降，其相對(duì)濕度增大，冷卻到φ=1時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)例：甲地：t=18℃，V＝0.0107Kg/m3,乙地：t=30℃，V＝0.0154Kg/m3解：查附表當(dāng)t為18℃，s＝0.0154Kg/m3,,當(dāng)t為30℃，s＝0.03037Kg/m3,

∴甲地：φ＝V／S＝0.7＝70%乙地：φ＝V／S＝0.51＝51%

乙地的絕對(duì)濕度大于甲地，但甲地的相對(duì)濕度大于乙地，故乙地的空氣吸濕能力強(qiáng)。

露點(diǎn)：將不飽和空氣冷卻時(shí)，隨著溫度逐漸下降，相對(duì)濕度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到100％時(shí)，此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)。上例甲地、乙地的露點(diǎn)分別為多少？

物理參數(shù)13Φ愈小空氣愈干爆，φ＝０為干空氣；物理參物理參數(shù)14物理參數(shù)141kg理想氣體３、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=φPs/461T

d=(P-φPs)/287Td=0.622

φPs/(P-φPs)四、焓

焓是一個(gè)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+d?iV=1.0045t+d(2501+1.85t)實(shí)際應(yīng)用焓-濕圖（I-d)nmol理想氣體物理參數(shù)151kg３、含濕量nmol物理參數(shù)15水蒸氣分壓力（×102Pa）含濕量（g/kg干空氣）溫度℃焓（kJ/kg干空氣）121314222324510150201512相對(duì)濕度Φ=60%Φ=100%354045P=101325t=20Φ=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(diǎn)=12當(dāng)前溫度下的飽和水蒸氣分壓力=2300物理參數(shù)16水蒸氣分壓力（×102Pa）含濕量（g/kg干空氣）溫度焓（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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在流體內(nèi)部兩個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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：μ－－比例系數(shù)，代表空氣粘性，稱為動(dòng)力粘度或絕對(duì)粘度。其國際單位：帕.秒，寫作：Pa.S。運(yùn)動(dòng)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Vy粘性取決于分子間的吸引力和熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換。溫度升高，則分子間的吸引力降低，動(dòng)量會(huì)增加。對(duì)于液體，分子間的吸引力為主要影響因素；對(duì)于氣體，分子間熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)量交換是決定性因素。物理參數(shù)17五、粘性Vy粘性取決于分子間的吸引力和熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換。物理六、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=φPs/461T

d=(P-φPs)/287T

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，可推出空氣密度計(jì)算公式：

式中：P為大氣壓，Ｐsat為飽和水蒸汽壓，單位：Pa；φ為相對(duì)濕度；Ｔ為空氣絕對(duì)溫度，T=t+273,K。

式中：P為大氣壓，Ｐsat為飽和水蒸汽壓，單位：mmHg。注意：Ｐ和Ｐsat單位一致。

物理參數(shù)18六、密度物理參數(shù)18八、密度計(jì)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：φ=98%，Psat=2102Pa物理參數(shù)19八、密度計(jì)算經(jīng)查可知：φ=98%，Psat=2102Pa物理物理參數(shù)20物理參數(shù)20干溫度td=20.6℃,濕溫度為tw=16.3℃，φ=64.5%物理參數(shù)21干溫度td=20.6℃,濕溫度為tw=16.3℃，φ=64.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(gè)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(shí)無刻不在作無秩序的熱運(yùn)動(dòng)。這種由分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子動(dòng)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，J／m3，在礦井通風(fēng)中，壓力的概念與物理學(xué)中的壓強(qiáng)相同，即單位面積上受到的垂直作用力。靜壓PaN/m2也可稱為是靜壓能，值相等（２）靜壓特點(diǎn)a.無論靜止的空氣還是流動(dòng)的空氣都具有靜壓力；b.風(fēng)流中任一點(diǎn)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(dòng)的根本原因是能量差壓力對(duì)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(dòng)能，而這三種能量又分別可用相應(yīng)的靜壓、位壓和動(dòng)壓（速壓）來體現(xiàn)。能量壓力22第二節(jié)風(fēng)流的能量與壓力區(qū)別：能量促使空氣流動(dòng)的根（３）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(duì)壓力和相對(duì)壓力。A、絕對(duì)壓力：以真空為測算零點(diǎn)（比較基準(zhǔn)）而測得的壓力稱之為絕對(duì)壓力，用P表示。B、相對(duì)壓力：以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)赝瑯?biāo)高的大氣壓力為測算基準(zhǔn)(零點(diǎn))測得的壓力稱之為相對(duì)壓力，即通常所說的表壓力，用h表示。風(fēng)流的絕對(duì)壓力（P）、相對(duì)壓力（h）和與其對(duì)應(yīng)的大氣壓（P0）三者之間的關(guān)系如下式所示：h=P－P0abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0能量壓力23（３）壓力的兩種測算基準(zhǔn)（表示方法）abPa真空P0PbhaPi

與hi

比較：I、絕對(duì)靜壓總是為正，而相對(duì)靜壓有正負(fù)之分；II、同一斷面上各點(diǎn)風(fēng)流的絕對(duì)靜壓隨高度變化而變化，而相對(duì)靜壓與高度無關(guān)。III、Pi可能大于、等于或小于與該點(diǎn)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(duì)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(jì)算得其大小，而且是一個(gè)相對(duì)值。實(shí)際工作中一般計(jì)算位能差。（２）位能計(jì)算重力位能的計(jì)算應(yīng)有一個(gè)參照基準(zhǔn)面。Ep012=∫igdzi如下圖1－２兩斷面之間的位能差：dzi１２００２１能量壓力24Pi與hi比較：dzi１２００２１能量壓力24（3)位能與靜壓的關(guān)系

當(dāng)空氣靜止時(shí)（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+P12-2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：Ｉ、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(diǎn)的靜壓和位能之和稱之為勢能。（4)位能的特點(diǎn)a.位能是相對(duì)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(duì)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(shí)遵循能量守恒定律。dzi１２００２１能量壓力25（3)位能與靜壓的關(guān)系dzi１２００２１能量壓力253.動(dòng)能－動(dòng)壓（1)動(dòng)能與動(dòng)壓的概念當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)，除了位能和靜壓能外，還有空氣定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，用Ev表示，J/m3；其動(dòng)能所轉(zhuǎn)化顯現(xiàn)的壓力叫動(dòng)壓或稱速壓，用符號(hào)hv表示，單位Pa。（2)動(dòng)壓的計(jì)算單位體積空氣所具有的動(dòng)能為：Evi＝i×V2×0.5

式中：i－－i點(diǎn)的空氣密度，Kg/m3；v－－i點(diǎn)的空氣流速，m/s。Evi對(duì)外所呈現(xiàn)的動(dòng)壓hvi，其值相同。（3)動(dòng)壓的特點(diǎn)a.只有作定向流動(dòng)的空氣才具有動(dòng)壓，因此動(dòng)壓具有方向性。b.動(dòng)壓總是大于零。垂直流動(dòng)方向的作用面所承受的動(dòng)壓最大（即流動(dòng)方向上的動(dòng)壓真值）；當(dāng)作用面與流動(dòng)方向有夾角時(shí)，其感受到的動(dòng)壓值將小于動(dòng)壓真值。c.在同一流動(dòng)斷面上，由于風(fēng)速分布的不均勻性，各點(diǎn)的風(fēng)速不相等，所以其動(dòng)壓值不等。d.某斷面動(dòng)壓即為該斷面平均風(fēng)速計(jì)算值。能量壓力263.動(dòng)能－動(dòng)壓能量壓力26（４）全壓風(fēng)道中任一點(diǎn)風(fēng)流，在其流動(dòng)方向上同時(shí)存在靜壓和動(dòng)壓，兩者之和稱之為該點(diǎn)風(fēng)流的全壓，即：全壓＝靜壓＋動(dòng)壓。由于靜壓有絕對(duì)和相對(duì)之分，故全壓也有絕對(duì)和相對(duì)之分。Ａ、絕對(duì)全壓（Pti）Pti＝Pi＋hviB、相對(duì)全壓（hti）hti＝hi＋hvi＝Pti－Poi

說明：A、相對(duì)全壓有正負(fù)之分；B、無論正壓通風(fēng)還是負(fù)壓通風(fēng)，Pti>Pihti＞hi。二、風(fēng)流的點(diǎn)壓力之間相互關(guān)系風(fēng)流的點(diǎn)壓力是指測點(diǎn)的單位體積(1m3)空氣所具有的壓力。通風(fēng)管道中流動(dòng)的風(fēng)流的點(diǎn)壓力可分為：靜壓、動(dòng)壓和全壓。風(fēng)流中任一點(diǎn)i的動(dòng)壓、絕對(duì)靜壓和絕對(duì)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27（４）全壓能量壓力27壓入式通風(fēng)（正壓通風(fēng)）：風(fēng)流中任一點(diǎn)的相對(duì)全壓恒為正?！逷tiandPi>Poi∴hi＞０，hti＞0且hti＞hi，hti=hi+hvi

壓入式通風(fēng)的實(shí)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(duì)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(diǎn)的相對(duì)全壓恒為負(fù)，對(duì)于抽出式通風(fēng)由于hti和hi為負(fù)，實(shí)際計(jì)算時(shí)取其絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算。

∵PtiandPi＜Poihti＜0且hti＞hi，但|hti|<|hi|實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樨?fù)通風(fēng)風(fēng)流的相對(duì)全壓和相對(duì)靜壓均為負(fù)值，故在計(jì)算過程中取其絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算。即：|

hti|=|hi|－h(huán)vi

抽出式通風(fēng)的實(shí)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(duì)壓力小于風(fēng)機(jī)出口的壓力。

能量壓力28壓入式通風(fēng)（正壓通風(fēng)）：風(fēng)流中任一點(diǎn)的相對(duì)全壓恒為正。能量壓hvhtb(-)hb(-)風(fēng)流點(diǎn)壓力間的關(guān)系abPa真空P0Pbha(+)P0Ptahvhta(+)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29hvhtb(-)hb(-)風(fēng)流點(diǎn)壓力間的關(guān)系abPa真空P例題2-2-1如圖壓入式通風(fēng)風(fēng)筒中某點(diǎn)i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，風(fēng)筒外與i點(diǎn)同標(biāo)高的P0i=101332Pa，求：

(1)i點(diǎn)的絕對(duì)靜壓Pi；(2)i點(diǎn)的相對(duì)全壓hti；(3)i點(diǎn)的絕對(duì)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(diǎn)i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，風(fēng)筒外與i點(diǎn)同標(biāo)高的P0i=101332Pa，求：

(1)i點(diǎn)的絕對(duì)靜壓Pi；(2)i點(diǎn)的相對(duì)全壓hti；(3)i點(diǎn)的絕對(duì)靜壓Pti。解：(1)Pi=P0i+hi=101332.5-1000=100332Pa(2)|hti|=|hi|－h(huán)vi＝1000-150=850Pahti＝－850Pa(3)Pti=P0i+hti=101332.5-850=100482Paii能量壓力30例題2-2-1如圖壓入式通風(fēng)風(fēng)筒中某點(diǎn)i的hi=1000三、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測定１、礦井主要壓力測定儀器儀表（１）絕對(duì)壓力測量：空盒氣壓計(jì)、精密氣壓計(jì)、水銀氣壓計(jì)等。（２）壓差及相對(duì)壓力測量：恒溫氣壓計(jì)、“Ｕ”水柱計(jì)、補(bǔ)償式微壓計(jì)、傾斜單管壓差計(jì)。（３）感壓儀器：皮托管，承受和傳遞壓力，+-測壓２、壓力測定（１）絕對(duì)壓力－－直接測量讀數(shù)。（２）相對(duì)靜壓(以如圖正壓通風(fēng)為例)（注意連接方法）：＋－０’０’hP0izP0i能量壓力31三、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測定＋－０’０’hP0izP0i能量壓力3推導(dǎo)如圖h=hi?以水柱計(jì)的等壓面0’－0’為基準(zhǔn)面，

設(shè):i點(diǎn)至基準(zhǔn)面的高度為Z，膠皮管內(nèi)的空氣平均密度為ρm，膠皮管外的空氣平均密度為ρm’；與i點(diǎn)同標(biāo)高的大氣壓P0i。則水柱計(jì)等壓面0’－0’兩側(cè)的受力分別為：

水柱計(jì)左邊等壓面上受到的力：

P左＝P０+ρ水gh＝P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh

水柱計(jì)右邊等壓面上受到的力：

P右＝Pi+ρmgz由等壓面的定義有：P左＝P右，即：

P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh＝Pi+ρmgz

＋－０’０’hP0izP0i能量壓力32推導(dǎo)如圖h=hi?＋－０’０’hP0izP0i

若ρm＝ρm’有：∵ρ水＞＞ρm

對(duì)于負(fù)壓通風(fēng)的情況請自行推導(dǎo)（注意連接方法）：zP0i＋－h(huán)00水柱高度mmH2O能量壓力33若ρm＝ρm’有：zP0i＋－h(huán)00水柱說明：（I）水柱計(jì)上下移動(dòng)時(shí)，hi保持不變；（II）在風(fēng)筒同一斷面上、下移動(dòng)皮托管，水柱計(jì)讀數(shù)不變，說明同一斷面上hi相同。（３）相對(duì)全壓、動(dòng)壓測量測定連接如圖（說明連接方法及水柱高度變化）zP0iht＋－h(huán)ihv能量壓力34說明：（I）水柱計(jì)上下移動(dòng)時(shí)，hi保持不變；zP0ih作業(yè)2-12-32-4另外作業(yè)測得風(fēng)筒內(nèi)某點(diǎn)i相對(duì)壓力如圖所示，求動(dòng)壓，并判斷通風(fēng)方式zP0i100150hv能量壓力35作業(yè)2-1zP0i100150hv能量壓力35本節(jié)課重點(diǎn)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(diǎn)？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36本節(jié)課重點(diǎn)能量方程及在礦井中的應(yīng)用能量壓力36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(dòng)時(shí)，將會(huì)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(dòng)，就必需有通風(fēng)動(dòng)力對(duì)空氣作功，使得通風(fēng)阻力和通風(fēng)動(dòng)力相平衡。一、空氣流動(dòng)連續(xù)性方程在礦井巷道中流動(dòng)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(diǎn)源或點(diǎn)匯存在時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對(duì)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(dòng)時(shí)，有：

Mi=constρ１V1S1＝ρ２V２S２

ρ１、ρ2－－1、2斷面上空氣的平均密度，kg/m3；V1,，V2－－1、2斷面上空氣的平均流速，m/s；S1、S2－－1、２斷面面積，m2。１２能量方程37第三節(jié)礦井通風(fēng)中的能量方程１２能量方程37若ρ１＝ρ２，則V1S1＝V２S2。對(duì)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38能量方程38二、可壓縮流體的能量方程能量方程表達(dá)了空氣在流動(dòng)過程中的壓能、動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)能與分子位能之和。空氣的內(nèi)能是空氣狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即：u=f（T，P）。能量分析１２z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqR能量方程39二、可壓縮流體的能量方程１２z1z200p1、v1、u1p2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：Ｐ×任一斷面風(fēng)流總機(jī)械能：壓能＋動(dòng)能＋位能

任一斷面風(fēng)流總能量：壓能＋動(dòng)能＋位能＋內(nèi)能，

所以，對(duì)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(dòng)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(duì)外作功，即：

式中：v為空氣的比容，m3/kg。又因?yàn)椋荷鲜鋈秸砟芰糠匠?1根據(jù)熱力學(xué)第一定律，傳給空氣的熱量（qR+q），一部分用于即為：單位質(zhì)量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程的一般形式。有壓源Lt

在時(shí)，單位質(zhì)量可壓縮空氣井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程可寫成如下一般形式。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(dòng)時(shí)能量方程的一般

式中稱為伯努力積分項(xiàng)，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(dòng)過程的狀態(tài)密切相關(guān)。對(duì)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43

式中稱為伯努力積分項(xiàng)，能量方程44能量方程44對(duì)于多變過程，過程指數(shù)為n，對(duì)伯努利積分進(jìn)行積分計(jì)算，可得到：單位質(zhì)量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動(dòng)時(shí)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(jì)算：有壓源Lt

在時(shí)，單位質(zhì)量可壓縮空氣井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程可寫成如下一般形式。能量方程45對(duì)于多變過程，過程指數(shù)為n，對(duì)伯努利積分進(jìn)行積分計(jì)算，

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46

式中m表示1，2斷面間按狀態(tài)過程考慮的空氣平均（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(shí)，那么1m3空氣流動(dòng)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(dòng)過程中的能量損失（LRJ/Kg）乘以按流動(dòng)過程狀態(tài)考慮計(jì)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(diǎn)說明：1、1m3空氣在流動(dòng)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，狀態(tài)過程的影響反映在動(dòng)能差和位能差中（用m表示）。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(xiàng)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(jì)算，及基準(zhǔn)面的選取。

m的測算原則：將1－2測段分為若干段，計(jì)算各測定斷面的空氣密度(測定P、t、φ)，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：３、是1、2兩斷面上的動(dòng)能差

A、在礦井通風(fēng)中，因其動(dòng)能差較小，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，式中可分別用各自斷面上的密度代替計(jì)算其動(dòng)能差。即上式寫成：其中：ρ１、ρ2分別為1、２斷面風(fēng)流的平均氣密度。12300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B、動(dòng)能系數(shù)：是斷面實(shí)際總動(dòng)能與用斷面平均風(fēng)速計(jì)算出的總動(dòng)能的比。即：因?yàn)槟芰糠匠淌街械膙1、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(jì)算出來的斷面總動(dòng)能與斷面實(shí)際總動(dòng)能不等。需用動(dòng)能系數(shù)Kv加以修正。在礦井條件下，Kv一般為1.02～1.05。由于動(dòng)能差項(xiàng)很小，在應(yīng)用能量方程時(shí)，可取Kv為1。因此，在進(jìn)行了上述兩項(xiàng)簡化處理后，單位體積流體的能量方程可近似的寫成：

或J／m3

能量方程49B、動(dòng)能系數(shù)：是斷面實(shí)際總動(dòng)能與用斷面平均風(fēng)速計(jì)算出的總動(dòng)能補(bǔ)充：國內(nèi)最常用的公式：能量方程50補(bǔ)充：國內(nèi)最常用的公式：能量方程50（三）、關(guān)于能量方程使用的幾點(diǎn)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(dòng)壓能和位能）的變化量。2.風(fēng)流流動(dòng)必須是穩(wěn)定流，即斷面上的參數(shù)不隨時(shí)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(shí)，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(xiàng)。如不知風(fēng)流方向，列能量方程時(shí)，應(yīng)先假設(shè)風(fēng)流方向，如果計(jì)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(shí)的基準(zhǔn)面。能量方程51（三）、關(guān)于能量方程使用的幾點(diǎn)說明能量方程515.在始、末斷面間有壓源時(shí)，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(duì)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。６.應(yīng)用能量方程時(shí)要注意各項(xiàng)單位的一致性。7、對(duì)于流動(dòng)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312能量方程525.在始、末斷面間有壓源時(shí)，壓源的作用方向與風(fēng)流的方向一致例1、在某一通風(fēng)井巷中，測得1、2兩斷面的絕對(duì)靜壓分別為101324.7Pa和101858Pa，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：=（101324.7－101858）＋0＋100×9.81×1.2=643.9J/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(duì)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(duì)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(shí)，PS1=1704Pa；t2=20℃時(shí)，PS2=2337Pa；Z1-Z212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(duì)靜壓分別

=

382.26J/kg

又∵能量方程54能量方程54=1.23877kg/m3∴=475.19J/m3或hR=LR×m=382.26×1.23877=473.53J/m3。能量方程55能量方程55用國內(nèi)常用公式計(jì)算：能量方程56用國內(nèi)常用公式計(jì)算：能量方程56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。012345678910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。１、風(fēng)流的邊界條件Pt=ht+P0=h+hv+p0

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（hv1012345678910P0壓力Pa流程擴(kuò)散器P真空P1靜壓坡度線全壓坡度線12345678910２、作圖步驟１）、以縱坐標(biāo)為壓力（相對(duì)壓力或絕對(duì)壓力），橫坐標(biāo)為風(fēng)流流程。２）、根據(jù)邊界條件確定起始點(diǎn)位置。３）、將各測點(diǎn)的相對(duì)靜壓和相對(duì)全壓與其流程的關(guān)系描繪在坐標(biāo)４）、最后將圖上的同名參數(shù)點(diǎn)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58hv1012345678910P0壓力Pa流程擴(kuò)散器P真空P3、擴(kuò)散器回收動(dòng)能（相對(duì)靜壓為負(fù)值）

hv=hvex－h(huán)vex’hRd合理hv=hvex－h(huán)vex’<hRd不合理在壓入段出現(xiàn)相對(duì)靜壓為負(fù)值現(xiàn)象分析：hR9～10=(P9＋hv9)－(P10+hv10)=P9＋hv9－P0－h(huán)v10=h9＋hv9－h(huán)v10如果：hv9－h(huán)v10>hR9～10，則，∴h9=hR9～10－（hv9－h(huán)v10）h9<0（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=Pt6－Pt52、通風(fēng)機(jī)全壓Ht與風(fēng)道通風(fēng)阻力、出口動(dòng)能損失的關(guān)系

hR6～10=Pt6－Pt10∴Pt6=hR6～10＋Pt10，hR0～5=Pt0－Pt5∴Pt5=Pt0－h(huán)R0～5，

Ht=Pt6－Pt5=hR6～10＋Pt10－（Pt0－h(huán)R0～5）

=hR6～10＋P0＋hv10－（P0－h(huán)R0～5）=hR6～10＋hv10＋hR0～5

Ht=hR0～10＋hv10

Hs=hR0～10,Ht=Hs＋hv10

b、壓入段

求i斷面至出口斷面的通風(fēng)阻力：hRi～10=hti－h(huán)t10=hti－h(huán)v10

求任意兩斷面（i、j）的通風(fēng)阻力：hRi～j=Pti－Ptj=hti－h(huán)tj

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：hR0～i=ht0－h(huán)ti=－h(huán)ti

求任意兩斷面（i、j）的通風(fēng)阻力：hRi～j=Pti－Ptj=hti－h(huán)tj

=|htj|

－|hti|

0123456789P01234567891002、能量（壓力）坡度線直觀明了地表達(dá)了風(fēng)流流動(dòng)過程中的能量變化。絕對(duì)全壓（相對(duì)全壓）沿程是逐漸減小的；絕對(duì)靜壓（相對(duì)靜壓）沿程分布是隨動(dòng)壓的大小變化而變化。910相對(duì)靜壓的負(fù)值越大，其擴(kuò)散器回收動(dòng)能的效果越好。礦井應(yīng)用593、擴(kuò)散器回收動(dòng)能（相對(duì)靜壓為負(fù)值）（三）、通風(fēng)機(jī)全壓（Ht兩個(gè)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=Pt6－Pt5

∵Pt5=Pt０－h(huán)R０～5；Pt6=P0＋hv6∴Ht=hR０～5＋hv6b）、無負(fù)壓通風(fēng)段（５斷面直接通大氣）∵Pt6=hR6～10＋Pt10，Pt10=P0＋hv10；Pt5=P0∴Ht=hR6～10＋hv10

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(dòng)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5066510礦井應(yīng)用60兩個(gè)特例：抽出式通風(fēng)方式壓入式通風(fēng)方式5066510礦井應(yīng)用二、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(duì)壓力)的方法：是沿風(fēng)流流程布設(shè)若干測點(diǎn)，測出各點(diǎn)的絕對(duì)靜壓、風(fēng)速、溫度、濕度、標(biāo)高等參數(shù)，計(jì)算出各點(diǎn)的動(dòng)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(diǎn)，將同名參數(shù)點(diǎn)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。１２３４礦井應(yīng)用61二、通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流能量（壓力）坡度線１２３４礦井應(yīng)用61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(dòng)壓和相對(duì)基準(zhǔn)面的位能)。3.選擇坐標(biāo)系和適當(dāng)?shù)谋壤Ｒ詨耗転榭v坐標(biāo)，風(fēng)流流程為橫坐標(biāo)，把各斷面的靜壓、動(dòng)壓和位能描在坐標(biāo)系中，即得1、2、3、4斷面的總能量。4.把各斷面的同名參數(shù)點(diǎn)用折線連接起來，即得1－２－３－４流程上的壓力坡度線。01234b0c0d0a1a2b2c2a0(a)b

(b1)c(c1)dd1d2P0Pa壓能eEP01EP04HNHt流程礦井應(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b0c0d0a1a2b2c2a0(a)b

(b1)c(c1)dd1d2P0Pa壓能eEP01EP04HNHt１、能量（壓力）坡度線（a-b-c-d）清楚地反映了風(fēng)流在流動(dòng)過程中，沿程各斷面上全能量與通風(fēng)阻力hR之間的關(guān)系。全能量沿程逐漸下降，從入風(fēng)口至某斷面的通風(fēng)阻力就等于該斷面上全能量的下降值（如b0b），任意兩斷面間的通風(fēng)阻力等于這兩個(gè)斷面全能量下降值的差。2、絕對(duì)全壓和絕對(duì)靜壓坡度線的坡度線變化有起伏（如1~2段風(fēng)流由上向下流動(dòng)，位能逐漸減小，靜壓逐漸增大；在3~4段其壓力坡度線變化正好相反，靜壓逐漸減小，位能逐漸增大）。說明，靜壓和位能之間可以相互轉(zhuǎn)化。(二)礦井通風(fēng)系統(tǒng)能量（壓力）坡度線的分析3、1、４斷面的位能差(EP01-EP04)叫做自然風(fēng)壓(HN)。HN和通風(fēng)機(jī)全壓（Ht)共同克服礦井通風(fēng)阻力和出口動(dòng)能損失。

HN+Ht(d2~e)=(d0~d)+(d1~d2)４、能量（壓力）坡度線可以清楚的看到風(fēng)流沿程各種能量的變化情況。特別是在復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，利用能量（壓力）坡度線可以直觀地比較任意兩點(diǎn)間的能量大小，判斷風(fēng)流方向。這對(duì)分析研究局部系統(tǒng)的均壓防滅火和控制瓦斯涌出是有力的工具。（例見Ｐ３３）礦井應(yīng)用1234總能量全壓能靜壓能63b0c0d0a1a2b2c2a0(a)b(b1)c(c1)例2如圖2-4-4所示的同采工作面簡化系統(tǒng)，風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)上山經(jīng)繞道1分為二路；一路流經(jīng)1－２－３－４(2－３為工作面Ⅰ)；另一路流經(jīng)１－５－６－４（５－６為工作面Ⅱ）。兩路風(fēng)流在回風(fēng)巷匯合后進(jìn)入回風(fēng)上山。如果某一工作面或其采空區(qū)出現(xiàn)有害氣體是否會(huì)影響另一工作面？

解：要回答這一問題，可以借助壓力坡度線來進(jìn)行分析。為了繪制壓力坡度線，必須對(duì)該局部系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)的測定。根據(jù)測算的結(jié)果即可繪出壓力坡度線見圖2-4-5。由壓力坡度線可見，1－２－３－４線路上各點(diǎn)風(fēng)流的全能量大于１－５－６－４線路上各對(duì)應(yīng)點(diǎn)風(fēng)流的全能量。所以工作面Ⅰ通過其采空區(qū)向工作面Ⅱ漏風(fēng)，如果工作面Ⅰ或其采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)其有害氣體將會(huì)流向工作面Ⅱ，影響工作面Ⅱ的安全生產(chǎn)。123456ⅠⅡ0123456ⅠⅡ壓力流程礦井應(yīng)用64例2如圖2-4-4所示的同采工作面簡化系統(tǒng)，風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)上三、通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)壓能圖和相對(duì)等熵靜壓圖

對(duì)于較復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)，由于井巷分支多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用壓力坡度線表示就會(huì)出現(xiàn)坡度線相互交錯(cuò)，給使用帶來不便。為此提出了使用通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)壓能圖或相對(duì)等熵靜壓圖。實(shí)質(zhì)：就是節(jié)點(diǎn)賦于壓能值的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。壓能圖各節(jié)點(diǎn)的壓能值是相對(duì)于某一基準(zhǔn)面所具有的總能量值；或是相對(duì)某一參考面（如進(jìn)風(fēng)井口等）之間的通風(fēng)阻力。壓能圖的繪制與能量（壓力）坡度線的繪制基本相同。

礦井應(yīng)用65三、通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)壓能圖和相對(duì)等熵靜壓圖礦井應(yīng)用65波蘭學(xué)者提出了用相對(duì)等熵靜壓圖來表示通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流各點(diǎn)的能位關(guān)系，因?yàn)槟骋还?jié)點(diǎn)的相對(duì)靜壓hi=Pi-P0i，而井巷風(fēng)流的P0i未知。假設(shè)大氣壓隨高度變化屬理想的絕熱等熵過程，根據(jù)氣態(tài)方程可推算P0i，記為Pi。只要實(shí)測出通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流i點(diǎn)的絕對(duì)靜壓Pi，它與對(duì)應(yīng)高度的等熵靜壓之差就是相對(duì)等熵靜：以相對(duì)等熵靜壓為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)無標(biāo)量，按通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，即可畫出相對(duì)等熵靜壓圖。礦井應(yīng)用66波蘭學(xué)者提出了用相對(duì)等熵靜壓圖來表示通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流各點(diǎn)的能位作業(yè)2-52-82-102-132-152-1767作業(yè)2-567第二章

礦井空氣流動(dòng)的基本理論68第二章

礦井空氣流動(dòng)的基本理論1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69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(shí)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(gè)舒適的作業(yè)環(huán)境。70上次課內(nèi)容回顧3第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論本章的重點(diǎn)：1、空氣的物理參數(shù)----T、P、Φ、μ、ρ；2、風(fēng)流的能量與點(diǎn)壓力----靜壓，靜壓能；動(dòng)壓、動(dòng)能；位能；全壓；抽出式和壓入式相對(duì)靜壓、相對(duì)全壓與動(dòng)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(diǎn)：點(diǎn)壓力之間的關(guān)系能量方程及其在礦井中的應(yīng)用71第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論本章的重點(diǎn)：4思考題1、一年中冬季還是夏季大氣壓力大？一天中那個(gè)時(shí)間大氣壓力最??？2、溫度與壓力相同時(shí)，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(diǎn)壓力時(shí)，水柱計(jì)放置位置對(duì)測值有影響嗎？5、為什么會(huì)在正壓通風(fēng)會(huì)出現(xiàn)相對(duì)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？72思考題1、一年中冬季還是夏季大氣壓力大？一天中那個(gè)時(shí)間大氣壓第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論

主要研究內(nèi)容：礦井空氣沿井巷流動(dòng)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(dòng)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(dòng)的特點(diǎn)，推導(dǎo)了礦井空氣流動(dòng)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。73第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論主要研究內(nèi)容：礦井一、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(hào)T來表示，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定純水三相態(tài)點(diǎn)溫度（汽、液、固三相平衡態(tài)時(shí)的溫度）為基本定點(diǎn)，定義為273.15K。常用的攝氏溫標(biāo)為實(shí)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)74一、溫度第一節(jié)空氣的主要物理參數(shù)物理參數(shù)7二、壓力（壓強(qiáng)）

在礦井通風(fēng)學(xué)中，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。

大氣壓力：地球表面一層很厚的空氣層對(duì)地面所形成的壓力。其大小取決于大重力場中位置相對(duì)高度，空氣相對(duì)溫度、濕度（相對(duì)濕度）和氣體成分等參數(shù)?？諝獾膲毫σ卜Q為空氣的靜壓，用符號(hào)P表示。它是空氣分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。計(jì)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(yùn)動(dòng)總動(dòng)能的2/3轉(zhuǎn)化為能對(duì)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(jì)、水銀氣壓計(jì)、水柱計(jì)、精密氣壓計(jì)等可以用來測量壓力。物理參數(shù)75二、壓力（壓強(qiáng)）物理參數(shù)8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(yùn)動(dòng)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)；μ---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），8314J/(kmol·k)；物理參數(shù)76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/μ=287J/kg.K。不同標(biāo)高處的空氣壓力比值

標(biāo)高z/m+1000±0-1000p/po0.8881.01.126實(shí)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270～400Pa有時(shí)可達(dá)1300Pa，一年中大氣壓變化可高達(dá)4000～5300Pa。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)77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-礦井常用壓強(qiáng)單位：PaMpammHgmmH20barmmbaratm等。

換算關(guān)系：1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa1mmHg=13.6mmH20=133.32Pa1mmbar=100Pa=10.19mmH20

1mmH20=9.81Pa物理參數(shù)78礦井常用壓強(qiáng)單位：PaMpammHg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(duì)濕度、相對(duì)濕度和含濕量三種。１、絕對(duì)濕度每立方米空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量叫空氣的絕對(duì)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(huì)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(shí)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

。２、相對(duì)濕度單位體積空氣中實(shí)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(duì)濕度φ＝V／S反映空氣中所含水蒸汽量接近飽和的程度。

絕對(duì)濕度只能說明空氣中實(shí)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ρsat=0.01536kg/m3，在30℃時(shí)，ρsat=0.03037kg/m3。當(dāng)溫度為30℃時(shí)，若只含有0.01536kg/m3水蒸氣時(shí)，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(shí)在實(shí)際上常用相對(duì)濕度來表示空氣的干濕程度。

物理參數(shù)79三、濕度絕對(duì)濕度只能說明空氣中實(shí)際含有水蒸氣量，并不能說明其Φ愈小空氣愈干爆，φ＝０為干空氣；φ愈大空氣愈潮濕，φ＝１為飽和空氣。溫度下降，其相對(duì)濕度增大，冷卻到φ=1時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)例：甲地：t=18℃，V＝0.0107Kg/m3,乙地：t=30℃，V＝0.0154Kg/m3解：查附表當(dāng)t為18℃，s＝0.0154Kg/m3,,當(dāng)t為30℃，s＝0.03037Kg/m3,

∴甲地：φ＝V／S＝0.7＝70%乙地：φ＝V／S＝0.51＝51%

乙地的絕對(duì)濕度大于甲地，但甲地的相對(duì)濕度大于乙地，故乙地的空氣吸濕能力強(qiáng)。

露點(diǎn)：將不飽和空氣冷卻時(shí)，隨著溫度逐漸下降，相對(duì)濕度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到100％時(shí)，此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)。上例甲地、乙地的露點(diǎn)分別為多少？

物理參數(shù)80Φ愈小空氣愈干爆，φ＝０為干空氣；物理參物理參數(shù)81物理參數(shù)141kg理想氣體３、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=φPs/461T

d=(P-φPs)/287Td=0.622

φPs/(P-φPs)四、焓

焓是一個(gè)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+d?iV=1.0045t+d(2501+1.85t)實(shí)際應(yīng)用焓-濕圖（I-d)nmol理想氣體物理參數(shù)821kg３、含濕量nmol物理參數(shù)15水蒸氣分壓力（×102Pa）含濕量（g/kg干空氣）溫度℃焓（kJ/kg干空氣）121314222324510150201512相對(duì)濕度Φ=60%Φ=100%354045P=101325t=20Φ=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(diǎn)=12當(dāng)前溫度下的飽和水蒸氣分壓力=2300物理參數(shù)83水蒸氣分壓力（×102Pa）含濕量（g/kg干空氣）溫度焓（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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在流體內(nèi)部兩個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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：μ－－比例系數(shù)，代表空氣粘性，稱為動(dòng)力粘度或絕對(duì)粘度。其國際單位：帕.秒，寫作：Pa.S。運(yùn)動(dòng)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Vy粘性取決于分子間的吸引力和熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換。溫度升高，則分子間的吸引力降低，動(dòng)量會(huì)增加。對(duì)于液體，分子間的吸引力為主要影響因素；對(duì)于氣體，分子間熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)量交換是決定性因素。物理參數(shù)84五、粘性Vy粘性取決于分子間的吸引力和熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換。物理六、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=φPs/461T

d=(P-φPs)/287T

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，可推出空氣密度計(jì)算公式：

式中：P為大氣壓，Ｐsat為飽和水蒸汽壓，單位：Pa；φ為相對(duì)濕度；Ｔ為空氣絕對(duì)溫度，T=t+273,K。

式中：P為大氣壓，Ｐsat為飽和水蒸汽壓，單位：mmHg。注意：Ｐ和Ｐsat單位一致。

物理參數(shù)85六、密度物理參數(shù)18八、密度計(jì)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：φ=98%，Psat=2102Pa物理參數(shù)86八、密度計(jì)算經(jīng)查可知：φ=98%，Psat=2102Pa物理物理參數(shù)87物理參數(shù)20干溫度td=20.6℃,濕溫度為tw=16.3℃，φ=64.5%物理參數(shù)88干溫度td=20.6℃,濕溫度為tw=16.3℃，φ=64.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(gè)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(shí)無刻不在作無秩序的熱運(yùn)動(dòng)。這種由分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子動(dòng)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，J／m3，在礦井通風(fēng)中，壓力的概念與物理學(xué)中的壓強(qiáng)相同，即單位面積上受到的垂直作用力。靜壓PaN/m2也可稱為是靜壓能，值相等（２）靜壓特點(diǎn)a.無論靜止的空氣還是流動(dòng)的空氣都具有靜壓力；b.風(fēng)流中任一點(diǎn)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(dòng)的根本原因是能量差壓力對(duì)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(dòng)能，而這三種能量又分別可用相應(yīng)的靜壓、位壓和動(dòng)壓（速壓）來體現(xiàn)。能量壓力89第二節(jié)風(fēng)流的能量與壓力區(qū)別：能量促使空氣流動(dòng)的根（３）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(duì)壓力和相對(duì)壓力。A、絕對(duì)壓力：以真空為測算零點(diǎn)（比較基準(zhǔn)）而測得的壓力稱之為絕對(duì)壓