风流能量及能量方程第1-4节.ppt

,知识点,技能点,本章要点,矿井空气的主要物理参数 井巷风流断面上的三种压力（能量） 抽出式与压入式通风中的压力关系 矿井通风中的能量方程,能利用测出的空气温度、湿度、压力计算空气密度 能利用压力和压差测量仪器测定风流的绝对压力和相对压力 能利用能量方程测算矿井的通风阻力,一、空气的密度 单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用来表示。即： （2-1） 式中 空气的密度，kg/m3； M空气的质量，m； V空气的体积，m3。,在标准大气状况下（P101325Pa，tO， 0% ） ， 干空气的密度为1.293 kg/m3。,湿空气密度的计算公式为：,湿0.003484 （10.378,） (2-2),式中 P空气的压力，Pa； T热力学温度（T273+t），K； t 空气的温度，；,相对湿度，%； P饱温度为t（）时的饱和水蒸气压力 (见表1-9)，pa。,由上式可见，压力越大，温度越低，空气密度越大。当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。,一般将空气压力为101325Pa，温度为20，相对湿度为60%的矿井空气称为标准矿井空气，其密度为1.2kg/m3。,二、空气的比容 单位质量空气所占有的体积叫空气的比容，用（m3/kg）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。即：,（2-3）,三、空气的压力（压强） 气体作用在单位面积上的力称为空气的压力，用P表示。 空气压力的单位为帕斯卡（Pa），简称帕，1 Pa=1N/m2。 压力较大时还有千帕（KPa）、兆帕（MPa）， 1MPa=103KPa=106 Pa。有的压力仪器也用百帕（hPa） 表示，1hPa=100Pa。,地面空气压力习惯称为大气压。由于地球周围大气层的厚度高达数千千米，越靠近地表空气密度越大，空气分子数越多，分子热运动的平均动能越大，所以大气压力也越大。 此外，大气压力还与当地的气候条件有关，即便是同一地区，也会随季节不同而变化，甚至一昼夜内都有波动。,四、空气的粘性 当流体以任一流速在管道中流动时，靠近管道中心的流 层流速快，靠近管道壁的流层流速慢，相邻两流层之间的 接触面上便产生粘性阻力（内摩擦力），以阻止其相对运动， 流体具有的这一性质，称为流体的粘性。 在矿井通风中，用动力粘性系数和运动粘性系数 （m2/s）表示空气粘性大小。 流体的粘性随温度和压力的变化而变化。对空气而言， 粘性系数随温度的升高而增大，压力对粘性系数的影响可以 忽略。 当温度为20，压力为0.1MPa时，空气的动力粘性系数 =1.80810-5 Pas；运动粘性系数 =1.50110-5 m2/s。,矿井通风系统中，风流在井巷某断面上所具有的总机械能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做风流的能量。 单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力。,能量与压力即有区别又有联系，除了内能是以热的形式 存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也就 是说井巷任一通风断面上存在的静压能、动能和位能可用 静压、动压、位压来呈现。,一、静压能静压 1、静压能与静压的概念 由分子热运动理论可知，不论空气处于静止状态还是流动状态，空气分子都在做无规则的热运动。这种由空气分子热运动而使单位体积空气具有的对外做功的机械能量叫静压能，用E静表示（J/m3）。 空气分子热运动不断地撞击器壁所呈现的压力（压强）称为静压力，简称静压，用P静表示（N/m2，即Pa）。 由于静压是静压能的体现，二者分别代表着空气分子热运动所具有的外在表现和内涵，所以在数值上大小相等，静压是静压能的等效表示值。,2、静压的特点 （1）只要有空气存在，不论是否流动都会呈现静压； （2）由于空气分子向器壁撞击的机率是相同的，所以风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用于器壁； （3）静压是可以用仪器测量的，大气压力就是地面空气的静压值；,3、空气压力的两种测算基准 （1）绝对压力：以真空为基准测算的压力称为绝对压力，用P表示。由于以真空为零点，有空气的地方压力都大于零，所以绝对压力总是正值。 （2）相对压力：以当地当时同标高的大气压力为基准测算的压力称为相对压力，用h表示。对于矿井空气来说，井巷中空气的相对压力h就是其绝对压力P与当地当时同标高的地面大气压力P0的差值。,图2-1 绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系,二、动能动压 1、动能与动压的概念 空气做定向流动时具有动能，用E动表示（J/m3），其动能所呈现的压力称为动压（或速压），用h动（或h速）表示，单位Pa。 2、动压的计算式 设某点空气密度为（kg/m3），定向流动的流速为v（m/s），则单位体积空气所具有的动能为E动，E动对外所呈现的动压为：,h动,Pa,3、动压的特点 （1）只有做定向流动的空气才呈现出动压，静止的空气不会有动压； （2）动压的作用方向与风流方向一致，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流动方向的平面承受的动压最大，平行流动方向的平面承受的动压为零； （3）在同一流动断面上，因各点风速不等，其动压也各不相同。计算断面上的动压，要用断面上的平均风速计算； （4）动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零的正值。,三、位能位压 1、位能与位压的概念 单位体积空气在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一种能量叫位能，用E位（J/m3）表示。 位能所呈现的压力叫位压，用P位（Pa）表示。 需要说明的是，位能和位压的大小，是相对于某一个参照基准面而言的，是相对于这个基准面所具有的能量或呈现的压力。,2、位压的计算式,12gZ12，Pa,3、位压的特点 （1）位压只相对于基准面存在，是该断面相对于基准面的位压差。基准面的选取是任意的，所选基准面不同，位压的绝对值也不同。基准面可能在上，也可能在下，因此位压可为正值，也可为负值。为了便于计算，一般将基准面设在所研究系统风流的最低水平。 （2）位压是一种潜在的压力，不能在该断面上呈现出来。因此，位压的大小不能用仪表直接测定。只能通过测量该点相对于基准面的高差和空气平均密度计算得出。 （3）在静止的空气中，上断面相对于下断面的位压，就是下断面比上断面静压的增加值，可通过测定静压差来得知。 （4）位压和静压可以相互转化。当空气从高处流向低处时，位压转换为静压；反之，当空气由低处流向高处时，部分静压将转化成位压。,四、全压、势压和总压力 矿井通风中，为了研究方便，常把风流中某点的静压与动压之和称为全压； 将某点的静压与位压之和称为势压； 把井巷风流中任一断面（点）的静压、动压、位压之和称为该断面（点）的总压力。 井巷风流中两断面上存在的能量差即总压力差是风流之所以能够流动的根本原因，空气的流动方向总是从总压力大处流向总压力小处，而不是取决于单一的静压、动压或位压的大小。,一、测压仪器 在矿井通风测量仪器中，测定空气压力的便携式仪器有三类： 1、测量绝对压力的气压计； 2、是测量相对压力的压差计和皮托管； 3、可同时测定绝对压力、相对压力的精密气压计或矿 井通风综合参数检测仪等。,（一）绝对压力测量仪器 最常用的是空盒气压计,空盒气压计,常用的DYM3型空盒气压计的测压范围为80000108000Pa，最小分度为10Pa，经过校正后的测量误差不大于200Pa。因精度较低，一般只适用于粗略测量和空气密度测算。,（二）相对压力测量仪器 测量井巷中（或管道内）某点的相对压力或两点的压力差时，一般需要用皮托管配合压差计来进行。压差计有U形压差计、单管倾斜压差计、补偿式微压计等。,1、皮托管 皮托管是承受和传递压力的工具。它由两个同心圆管相套组成，其结构如图所示。内管前端有中心孔，与标有“+”号的接头相通；外管前端侧壁上分布有一组小孔，与标有“-”号的接头相通，内外管互不相通。,U型倾斜压差计,2、U形压差计 有U形垂直压差计和U形倾斜压差计两种，构造如图所示。,单管倾斜压差计,3、单管倾斜压差计,hLKg ，Pa,补偿式微压计,4、补偿式微压计,矿井通风参数检测仪,（三）矿井通风综合参数检测仪,JFY型矿井通风综合参数检测仪技术参数表,二、风流点压力的测量及压力关系 （一）风流点压力,（二）绝对压力的测量及其相互关系 1、绝对静压P静的测定 井巷风流中某点的绝对静压一般用空盒气压计、精密气压计或矿井通风综合参数测定仪测定。,2、动压h动的测定 有两种方法： （1）在通风井巷中，一般用风表测出该点的风速，利用式 计算动压。 （2）在通风管道中，可利用皮托管和压差计直接测出该点的动压。如图所示。,h动,3、绝对全压的测定 测出某点的绝对静压P静和动压h动之后，用下式计算该点的绝对全压P全：,不论抽出式通风还是压入式通风，某一点的绝对全压等于绝对静压与动压的代数和。因动压为正值，所以绝对全压大于绝对静压。,P全P静h动,（三）相对压力的测量及其相互关系 风流中某点的相对压力常用皮托管和压差计测定，其布置方法如图所示。 左图为压入式通风，右图为抽出式通风。,1、压入式通风中相对压力的测量及相互关系 相对静压：h静P静P0 相对全压：h全P全P0 动 压：h动P全P静 相对全压：h全P全P0 （P静h动）P0 （P静P0）h动 h静h动,结论：就相对压力而言，压入式通风风流中某点的相对全压等于相对静压与动压的代数和。,2、抽出式通风中相对压力的测量及相互关系 h静P0P静 或 -h静P静P0 h全P0P全 或 -h全P全P0 h动P全P静 h全P0P全 P0（P静h动） （P0P静）h动 h静h动,结论：就相对压力而言，抽出式通风风流中某点的相对全压等于相对静压减去动压。,例2-1 在压入式通风风筒中，测得风流中某点的相对静压h静1200Pa，动压h动100Pa，风筒外与该点同标高的大气压力P098000Pa，求该点的P静、h全、P全分别是多少？ 解：（1）P静P0h静98000120099200 Pa （2）h全h静h动12001001300 Pa （3）P全P0h全98000130099300 Pa 或 P全P静h动9920010099300 Pa,例2-2 在图2-11a所示的抽出式通风风筒中，测得风流中某点的相对静压h静1200Pa，动压h动100Pa，风筒外与该点同标高的大气压力P098000Pa，求该点的P静、h全、P全分别是多少？ 解：（1）P静P0h静98000120096800 Pa （2）h全h静h动12001001100 Pa （3）P全P0h全98000110096900 Pa 或P全P静h动9680010096900 Pa,第二章 风流的能量与能量方程,第四节 矿井通风中的能量方程及其应用,一、空气流动连续性方程 根据质量守恒定律，对于流动参数不随时间变化的稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其空间的流体质量。矿井通风中，空气在井巷中的流动可以看作是稳定流，同样满足质量守恒定律。,M 1M 2， kg/s 或 1v1S12v 2S2 对于不可压缩流体，即12，则有v1 S1v 2S2,二、矿井通风中应用的能量方程 能量方程是用能量守恒定律描述风流沿程流动的能量转换和守恒规律的数学表达式。矿井通风中应用的能量方程则表达了空气的静压能、动能和位能在井巷流动过程中的变化规律，是能量守恒和转化定律在矿井通风中的应用。,或,从能量观点来说，它表示单位体积风流流经井巷时的能量损失等于第一断面上的总机械能（静压能、动能和位能）与第二断面上的总机械能之差。从压力观点上来说，它表示风流流经井巷的通风阻力等于风流在第一断面上的总压力与第二断面上的总压力之差。,1、动压中的1、2分别取1、2断面风流的空气密度。 2、位压中的1、2视基准面的选取情况按下述方法计算： （1）当1、2断面位于矿井最低水平的同一侧时，如图2-13a所示， 12（12）/2 （2）当1、2断面分别位于矿井最低水平的两侧时，如图2-13b所示， 10（10）/2，20（20）/2。,动压中1、2与位压中1、2的选取方法,图2-13 能量方程中位压基准面的确定及的取法 （a）两断面位于井底同一侧 （b）两断面分别位于井底两侧,三、能量方程在矿井通风中的应用 能量方程是矿井通风的理论基础，应用极为广泛，特别是在有关通风机性能测定、矿井通风阻力测定和矿井通风技术管理、通风仪器仪表的设计等方面都与该理论密切相关。,（一）抽出式通风矿井中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系,h阻h静4h动4（Z12gZ34g）,h阻h静4h动4H自 h全4H自 ，Pa,例2-5 某矿井采用抽出式通风如图2-15所示，测得风硐断面的风量Q50m3/s，风硐净断面积S45m2，空气密度41.14kg/m3，风硐外与其同标高的大气压力P0101324.5Pa，主通风机房内静压水柱计的读数h静42240 Pa，矿井的自然风压H自120 Pa，自然风压的方向帮助主通风机工作。试求 P静4、h动4、P全4、h全4和矿井的通风阻力h阻各为多大？ 解 P静4P0h静4101324.5224099084.5 Pa h动44v42/24（Q/S）2/21.14（50/5）2/2 57 Pa P全4P静4h动499084.55799141.5 Pa h全4h静4h动42240572183 Pa h阻h静4h动4H自2240571202303 Pa,（二）矿井主通风机房内水柱计的安装和作用 通过矿井通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系式可以看出，矿井通风总阻力可以通过测定风硐断面的相对压力和自然风压值计算出来。 实际上，矿井风硐断面的动压值不大，变化也较小；自然风压值随季节而变化，一般也不大，因此，只要用压差计测出风硐断面的相对静压值，就能近似了解到矿井通风总阻力的大小。,测量风硐断面的相对压力时，压差计的安装按取压方法不同有两种，即壁面取压法和环形管取压法。如图2-19所示。,图2-19 静压水柱计的安装方法 a壁面取压法 b环形管取压法 1风硐；2静压管；3三通；4胶管；5环形管,水柱计的两个液面一般是稳定的或有微小的波动。 1、若水柱计液面高差突然增大，可能是主要通风巷道发生冒顶或其它堵塞事故，增大了通风阻力； 2、如果液面高差突然变小，可能是控制通风系统的主要风门被打开，或发生了其它风流短路事故，通风阻力变小。 3、如果通风机的传动皮带打滑，使通风机的转数忽高忽低，电源不稳定时也会引起水柱计读数波动。 只要测点位置选择合理，通过水柱计可以反映出矿井通风系统的正常状况。因此，在主通风机房内设置压差计，是通风管理中不可缺少的监测手段。,矿井主通风机房内水柱计的作用,2-1 什么是空气的密度？压力和温度相同时，为什么湿空气比干空气轻？ 2-2 什么叫空气的压力？单位是什么？地面的大气压力与哪些因素有关？ 2-3 什么叫空气的粘性？用什么参数表示粘性大小？粘性对空气流动起什么作用？ 2-4 何谓空气的静压、动压、位压？各有何特点？ 2-5 什么叫绝对压力？相对压力？正压通风？负压通风？ 2-6 什么叫全压、势压和总压力？ 2-7 在同一通风断面上，各点的静压、动压、位压是否相同？通常哪一点的总压力最大？ 2-8 为什么在压入式通风中某点的相对全压大于相对静压；而在抽出式通风中某点的相对全压小于相对静压？,2-9 矿井通风中的能量方程是什么？从能量和压力观点讲，分别代表什么含义？ 2-10 为什么从单位质量不可压缩流体的能量方程可以推导出矿井通风中的能量方程？矿井风流应满足什么条件？ 2-11 为什么说风流在有高差变化的井巷中流动时，其静压和位压之间可以相互转化？ 2-12 能量方程式中动压和位压项中空气密度是否一样？如何确定？ 2-14 在抽出式和压入式通风矿井中，主通风机房内的U型水柱计读数与矿井通风总阻力各有何关系？ 2-15 为什么说主通风机房内安装压差计是通风管理中不可缺少的监测手段？,习 题,2-1 井下某地点有两道单扇风门，测得每道风门内外压差为