矿井空气流动基本理论教学课件PPT矿内空气动力学基础.ppt

第二章 矿井空气流动基本理论（第三节）,第二章 矿井空气流动基本理论,主要内容： 1、空气的物理参数-t、p、； 2、风流的能量与点压力-静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式通风时的相对静压、相对全压与动压的关系 3、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、能量方程在矿井中的应用-通风能量坡度图 本章的难点： 点压力之间的关系 能量方程及其在矿井中的应用,2.1 空气主要物理参数,主要内容,正确理解和掌握空气的主要物理性质是学习矿井通风的基础。 与矿井通风密切相关的空气物理性质有：温度、压力（压强）、密度、比容、粘性、湿度等。,2.1.1 矿内空气温度,温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。热力学绝对温标的单位为k （kelvin）(开氏温标)，用符号t表示。热力学温标规定纯水三态点温度（即汽、液、固三相平衡态时的温度）为基本定点，定义为273.15k。 国际单位制还规定摄氏（celsius）温标为实用温标，用t表示，单位为摄氏度，代号为。摄氏温标的每1与热力学温标的每1k完全相同，它们之间的关系为：,井下采掘作业地点气象条件规定,温度与体力消耗,空气的压力也称为空气的静压，用符号p表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它的本质是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。 其大小取决于在重力场中的位置（相对高度）、空气温度（赤道低气压带和极地高气压带）、湿度和气体成分等参数（展开）。 根据物理学的分子运动理论，空气的压力可用下式表示： 空气的压力：单位体积内空气分子不规则热运动产生的总动能的三分之二转化为能对外做功的机械能。,2.1.2 压力（压强）,压力单位换算表,需要清楚的几个概念,空气的压力大小可以用仪表测定; 一年中的空气压力变化在45.3mpa 压力单位:pa 1pa=1n/m2 1mpa=103kpa=106pa 1标准大气压=101.325kpa 1公斤力/厘米2（工程大气压） =0.1mpa （气腿凿岩机） 为了比较大气压的大小，在1954年第十届国际计量大会上，科学家对大气压规定了一个“标准”：在纬度45的海平面上，当温度为0时，760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。,同一地点，大气压也不是一成不变的，大气压还随时间而变一天当中，通常上午九至十时气压最大，下午三至四时气压最小一年四季的气压值也不同大陆上冬季气压最大，夏季气压较小海洋和大陆相反，夏季气压大，冬季气压小,2.1.3 空气的密度、比容,单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号表示。空气可以看作是均质气体，故： 式中 m空气的质量，kg v空气的体积，m3 ； 空气的密度，kgm3； 当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化。所以空气密度是随温度、压力而变化的，从而得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。如在大气压p0为101325pa，气温为0（273.15k）时，干空气密度0为1.293 kgm3。,在矿井通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度和压力将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的变化，在实际应用中要特别注意。,湿空气的密度是1 m3空气中所含干空气质量和水蒸气质量之和： 式中，d1m3湿空气中干空气的质量，kg ； v1m3湿空气中水蒸气的质量，kg。,由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式： 式中，p空气的压力，pa ； t 空气的温度， ； ps温度t时饱和水蒸气的分压，pa ； 相对湿度，用数表示。,在一定的温度和压力下，单位体积空气所能容纳的水蒸气量是有极限的，超过这一极限值，多余的水蒸气就会凝结出来。这种含有极限值水蒸气的湿空气叫饱和空气，其所含的水蒸气量叫饱和湿度，用s表示；此时的水蒸气分压叫饱和水蒸气压，用ps表示。,空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号(m3kg)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。则：,2.1.4 空气的粘性,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(内摩擦力)以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。 由牛顿内摩擦定律得： 式中，f 内摩擦力，n； s 流层之间的接触面积，m2； 动力粘度(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，dudy=0，则f=0。矿井通风中常用运动粘度，用符号(m2s)表示：,气体和液体的粘性随温度的变化规律,影响流体粘性的主要因素温度,现场应用,2.1.5 矿内空气的湿度,矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量。绝对湿度、相对湿度和含湿量 绝对湿度指每1m3湿空气中所含水蒸汽量的质量。 水蒸气的质量，kg.,绝对湿度虽然反映了空气中实际所含水蒸气量的大小，但不能反映空气的干湿程度。,相对湿度指湿空气中实际含有水蒸汽量与同温度下的饱和水蒸汽量之比的百分数 式中 w空气中所含水蒸汽量(即绝对湿度)，g/m3； s在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量， g/m3 。 空气中饱和水蒸汽量的大小取决于空气的温度。,不饱和空气随温度的下降其相对湿度逐渐增大。冷却达到相对湿度为1时的温度称为露点。再继续冷却，空气中的水蒸气就会因过饱和而凝结成水珠。反之，当空气温度升高时，空气的相对湿度将会减小。,=1时的温度称为露点,冬干夏湿现象,井下空气湿度的变化规律 进风线路有可能出现冬干夏湿的现象。进风井巷有淋水的情况除外。在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100，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的地下水。,不饱和空气随温度的下降其相对湿度逐渐增加，当空气温度升高时，相对湿度将会减小。,冬干夏湿现象,放,吸,温度降低,相对湿度增加并达到100%,水蒸气过饱和凝结成水珠,含湿量含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸气的质量（kg）称为空气的含湿量，可用下式计算：,式中 w空气中所含水蒸汽量(即绝对湿度)，g/m3； s在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量， g/m3 。,2.2 风流能量与压力,风流之所以能在系统中流动，其根本的原因是系统中存在着促使空气流动的能量差。 当空气的能量对外做功有力的表现时，我们就把它称为压力。 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。,能量压力,能量的角度,力的角度,能量和压力的联系,风流能量与压力 静压能静压 重力位能 动能动压,目的：用能量守恒定律解决力的问题,（相对某一基准面而具有的能量）,2.2.1 风流能量与压力,（1） 静压能静压 1） 概念 2）静压的特点 3）压力的两种测算基准,1）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，用ep表示（jm3），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。静压pa=n/m2也可称为是静压能，数值相等。,静压能 内 涵：空气分子热运动而具有静压能 用ep表示,静压 外在表现：空气分子碰撞器壁而有力的表现 用p表示,）静压特点 a）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； c）风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。 如说风流的压力为101332pa，则指风流1m3具有101332j的静压能。,）压力的两种测算基准 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。 a、绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用 p 表示。 b、相对压力： 以当时当地同标高的大气压力（p0）为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用 h 表示。 风流的绝对压力（p）、相对压力（h）和与其对应的大气压（p0）三者之间的关系如下式所示：h = p p0,压力的两种表示方法,pi 与 hi 比较 a）绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分； b） pi可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(p0i)。,（2）重力位能 概念 计算 位能与静压的关系 位能的特点,1)重力位能的概念 物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用 epo 表示。 如果把质量为m（kg）的物体从某一基准面提高z（m），就要对物体克服重力作功m.g.z（j），物体因而获得同样数量（m.g.z）的重力位能。 即： epo=m.g.z,重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小，而且是一个相对值 。实际工作中一般计算位能差。,）位能计算 重力位能的计算应有一个参照基准面。 ep012=i g dzi j/m3,a,b,测量1 、a 、b、 2四点的数据： 静压 温度 相对湿度,，,各段的平均密度,直接测量,3)位能与静压的关系 当空气静止时（v=0），由空气静力学可知：各断面的机械能相等。设以2-2断面为基准面： 1-1断面的总机械能 e1=epo1+p1 2-2断面的总机械能 e2=epo2+p2 由e1=e2得： epo1+p1=epo2+p2 由于epo2=0（2-2断面为基准面），epo1=12.g.z12， 所以：p2=epo1+p1=12.g.z12+p1 说明：a、位能与静压能之间可以互相转化。 b、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。,4)位能的特点 a.位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。但位能差为定值。 b.位能是一种潜在的能量，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。 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。,（3）动能动压 1）概念 2）动压的计算 3）动压的特点,1)动能与动压的概念 当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用ev表示，j/m3；其动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用符号hv表示，单位pa。,动压，是单位体积空气在作宏观定向运动时所具有的能够对外做功的动能的多少。,2)动压的计算 单位体积空气所具有的动能（j/m3）为： evi 1/2ivi2 式中： i i点的空气密度，kg/m3； vi i点的空气流速，m/s。 evi对外所呈现的动压hvi（pa），其值相同。 hvi 1/2ivi2,单位体积,单位面积,3)动压的特点 a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压有方向性。 b.动压总是大于零。垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。 c.在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。 d 某断面动压即为该断面平均风速计算值。,（）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，两者之和称之为该点风流的全压，即：全压静压动压。 由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对之分。 、绝对全压（pti） pti pihvi b、相对全压（hti） hti hihvi pti poi 说明：a、相对全压有正负之分； b、无论正压通还是负压通风，ptipi hti hi。,2.2.2 风流的点压力及其相互关系,（1）风流点压力 风流的点压力是指测点的单位体积(1m3)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：静压、动压和全压。 风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为： hvi=pti-pi hvi、hi和hti三者之间的关系为：hti = hi + hvi 。,压入式通风（正压通风）：风流中任一点的相对全压恒为正。 pti and pi po i hi ， hti 0 且 h ti hi ， hti = hi + hvi 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。,p0,pti pihvi,hti hihvi,压入式通风,抽出式通风,抽出式通风（负压通风）：风流中任一点的相对全压恒为负 因为负压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。 即：|hti | = | hi | hvi 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。,风流点压力间的关系,例题2-2-1 如图压入式通风风筒中某点i的hi=1000pa，hvi=150pa，风筒外与i点同标高的p0i=101332pa，求： (1) i点的绝对静压pi； (2) i点的相对全压hti； (3) i点的绝对全压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,例题2-2-2 如图抽出式通风风筒中某点i的hi=1000pa，hvi=150pa，风筒外与i点同标高的p0i=101332pa，求： (1) i点的绝对静压pi； (2) i点的相对全压hti； (3) i点的绝对全压pti。,解：(1) pi=p0i+hi=101332-1000=100332pa,(2) |ht|=|hi|hvi1000-150=850pa hti 850 pa,(3) pti=p0i+hti=101332.5-850=100482pa,第四节（2）风流点压力的测定 、矿井主要压力测定仪器仪表,（1） 绝对压力，空盒气压计 精密气压计 （）压差及相对压力测量： “”型压差计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。 （）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，胶管,（）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计。,绝对压力直接测量读数,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,空盒气压计,可以测量当地的绝对压力值，也可以测量两点之间的压力差值。具有精度高、灵敏度高、结构牢靠等特点。,精密气压计,量程范围： 200毫巴（绝对）500毫米水柱（相对） 分辨率： 0.1毫巴（绝对气压测量）0.1毫米水柱（相对压差测量） 适用标高范围： -1500+2500米（分七档选择） 精度： 0.5毫巴,最初的水银气压计,托里拆利和维瓦尼在1644年进行了这个实验。他们选用了汞(汞的密度是水的13.5倍)。他们在一根约一米长的玻璃管里灌满汞，把开口的一端塞住，倒过来立在盛汞的盘中，然后拿开塞子。这时汞开始从管子流到盘里，但当管内汞面降低到比盘内汞面只高760毫米时，汞就不再从管里流出，而一直保持这个高度了。 现代的水银气压计同它并没有本质的差别。,范围：810-1070hpa 精度：0.4hpa,动槽式水银气压计,1hpa=100pa,构成：由一内径相同、装有蒸馏水或酒精的形玻璃管与刻度尺所构成。,（）压差及相对压力测量u形压力计,测压原理：形管两侧液面承受相同压力时，液面处于同一水平；当两侧液面压力不同时，压力大的一侧液面下降，另一侧液面上升，从中间的标尺即可读出压差。,“”型压差,优点：读数直观 操作方便 测压范围大 价格便宜 使用范围广 缺点：精度低(风机房 充填）,特点,两种u形压差计,u形垂直式压差计,u形倾斜式压差计,（）压差及相对压力测量u形压力计,（）压差及相对压力测量补偿式微压计,常用的补偿式微压计有djm9型、yjb-150/250-1型、bwy-150/250型等。其中，djm9型的测量范围为01500pa，最小分度值为0.1pa。这类仪器精度高，可用于微小压差测量，受压力波动影响大，水准针尖不宜调准，多用于实验室内。,补偿式微压计,（）压差及相对压力测量单斜管压差计,原理：由一个较大断面的容器与一个小断面的倾斜管相互连通而构成。与断面积的比例一般为250-300，其中充有适量的酒精。为便于读数，酒精中注入微量的硫酸和甲基橙使之染色。,3、单管倾斜压差计,图2-6 yyt200型单管倾斜压差计结构 1底座；2水准指示器；3弧形支架；4加液盖；5零位调整旋钮；6三通阀门柄；7游标；8倾斜测压管；9调平螺钉；10大容器；11多向阀门,仪器的操作和使用方法如下： （1）注入工作液。 （2）调零。 （3）测定。 常用的yyb200b型单管倾斜压差计最大测量值为2000pa，最小分刻度为2pa，误差不超过最大读数的1.0%。单管倾斜压差计是通风测量中应用最广的一种压差计。,单管倾斜压差计,皮托管,2 点压力：静压、全压、速压,hs,hv,ht,hs,hv,ht,hs,hv,ht,2.3 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；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。 空气在其流动过程中，由于自身的因素和流动环境的综合影响，空气的压力、能量和其他状态参数沿程将发生变化。 本节将重点讨论矿井通风中空气流动的压力和能量变化规律。,2.3.1 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，充满它所流经的空间。在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律：对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出的流体质量。,前提条件：无点源或点汇存在,规律：质量守恒,如图井巷中风流从1断面流向2 断面，作定常流动时，有： mi=const v1s1vs,定常流：即在流动过程中不漏风又无补给,空气流动连续性方程,适用于可压缩流体和不可压缩流体,过流断面的空气质量,、2 1、2断面上空气的平均密度，kg/m3 ； v1、 v2 1、2 断面上空气的平均流速，m/s； s1、 s2 1、断面面积，m2。,（i） 若 s1s2 ， 则 v1 v ； 面积相等：流速大的断面上空气密度比流速小的断面上空气密度小 （ii） 若 ， 则 v1 s1 v s 。 密度相等：面积大的断面上空气流速比面积小的断面上空气流速小,前提：可压缩流体,前提：不可压缩流体,地下巷道空气在断面大的地方流速小，在断面小的地方流速大。,通风减阻的理论依据,对于矿井风流，尽管空气的密度有变化，但变化范围一般不超过6%-8%，因此它的比容变化也不大。一般认为矿井风流近似于不可压缩的稳定流体。,例：风流在如图的井巷中由断面1流至断面2时，已知s1=10m2, s2=8m2, v1=3m/s, 1、2断面的空气密度为：1=1.18kg/m3, 2=1.20kg/m3，求： （1）1、2断面上通过的质量流量m1、m2； （2）1、2断面上通过的体积流量q1、q2； （3）2断面上的平均流速。 解（1） （2） （3）,q1q2,几个重要概念 什么叫做能量方程：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，是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。 矿井风流的压缩性：矿井通风系统中空气的密度是变化的，即矿井风流是可压缩的。 风流的机械能包括什么：静压能、动压能、位能 风流内能包括什么：风流内部所具有的分子内动能与分子位能之和。 能量守恒及转化定律成立的条件：当外力对风流做功增加其机械能的同时，也增加了风流的内（热）能。因此，在研究矿井风流流动时，风流的机械能加上其内（热）能才能使能量守恒及转换定律成立。,2.3.2 可压缩流体的能量方程,空气的内能：是空气状态参数的函数，即：u = f（ t，p）, 或 u = f（ t，v）,（一）、单位质量(1kg)流量的能量方程,1 能量组成（讨论1kg空气所具有的能量）,风流的机械能：静压能、动压能、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， 所以，对单位质量流体有：,2 风流流动过程中的能量分析,1kg空气由1 断面流至2 断面的过程中， q（j/kg）：外界传递给风流的热量（岩石、机电设备等）。 lr（j/kg）：克服流动阻力消耗的能量； qr（j/kg）：lr 部分转化的热量(这部分被消耗的能量将转化成热能仍存在于空气中）； 1-2断面间无其他动力源（如局部通风机等）。,其他能量：,根据能量守恒及转化定律：,3 可压缩空气单位质量（1kg)流量的能量方程,传给空气的热量,（1）,根据热力学第一定律，传给空气的热量（qr+q），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：,式中：v为空气的比容，m3/kg。又因为： 带入(1)式得： 即为：单位质量可压缩空气在无压源井巷中流动时能量方程的一般形式。,j/kg,（2）,（3）,（4）,（无压源）,克服流体阻力消耗的能量lr,如果图中1-2断面间有压源lt （如存在局部通风机等）存在，则其能量方程为：,（5）,静压能变化,压源,位能变化,动能变化,各项含义,式中 称为伯努力积分项，它反映了风流从1断面流至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。 对于不同的状态过程，其积分结果不同。 对于多变过程，有不同的过程指数n，其多变过程方程式为：,4 关于单位质量可压缩空气能量方程的讨论,定压过程 等温过程 等熵过程 等容过程,对于多变过程，过程指数为 n ，n可在0范围内变化。 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井巷中流动时能量方程：,n=0时，p=const 即为定压过程； n=1时，pv=const, 即为等温过程， n=k=1.41时，pvk=const,即为等熵过程； n=时，v=const, 即为等容过程，,实际多边过程中n值是变化的。在深井的通风中，如果其n值变化较大时，可把通风过程分为若干段，在每一段中的n值可以近似认为不变。 当n为定值时：,有压源 lt 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。,当n为定值时，对pv=const微分，可求得 n：,令,式中 m表示1，2断面间按状态过程考虑的空气平均密度，得 带入式（4）、（5），则单位质量流量的能量方程式又可写为,我国矿井通风中习惯使用单位体积（1m3）流体的能量方程。在考虑空气的可压缩性时，那么1m3 空气流动过程中的能量损失（hr，j/m3（pa），即通风阻力）可由1kg空气流动过程中的能量损失（lr j/kg）乘以按流动过程状态考虑计算的空气密度m，即：hr=lr.m；则单位体积(1m3)流量的能量方程的书写形式为：,（二）、单位体积(1m3)流量的能量方程,（1）1m3 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，状态过程的影响反映在动压差和位能差中（用m这个参数表示），这是与单位质量流体的能量方程的不同之处，在应用时应给予关注。 （2）gm(z1-z2)或写成 是1、2断面的位能差。当1、2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。,讨论,当两个点各自位于矿井最低水平的两侧时，应将位压的基准面0-0选在最低水平，此时，1、2断面相对基准面的高差分别为z01和z02，空气密度则分别为两侧断面距基准面的平均密度10和20，当高差不大或精度不高时，可取：,例如：如图所示的通风系统，如要求1、2断面的位能差，基准面可选在2的位置。其位能差为： 而要求1、3两断面的位能差，其基准面应选 在0-0位置。其位能差为：,（3）基准面的选择一般选在所讨论系统的最低水平，也即保证各点位能值均为正。,（4） 是1、2两断面上的动能差： a 在矿井通风中，因其动能差较小，故在实际应用时，式中 m可分别用各自断面上的密度代替 m 计算其动能差。即上式写成： 其中： 、2分别为1、断面风流的平均气密度。,b、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。即： 因为能量方程式中的v1、v2分别为1、2断面上的平均风速。由于井巷断面上风速分布不均匀，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kv修正。在矿井条件下，kv一般为1.021.05。 由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取kv=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的写成：,特别注意,j/m3,j/m3,（三）、关于能量方程使用的几点说明 1. 能量方程的意义是，表示1kg（或1m3）空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。 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；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。 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，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方与假设相反。 4. 正确选择求位能时的基准面。,5. 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，压源为正，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。 . 应用能量方程时要注意各项单位的一致性。 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，当q1=q2+q3时：,q3,q1,q2,例 1、 在某一通风井巷中，测得1、2两断面的绝对静压分别为101324.7 pa和101858 pa，若s1=s2，两断面间的高差z1-z2=100米，巷道中m12=1.2kg/m3，求：1、2两断面间的通风阻力，并判断风流方向。 解：假设风流方向12，列能量方程： =（101324.7101858）01009.811.2 = 643.9 j/m3。 由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，12。,例 2、在一斜井中测得1、2两断面的有关参数，绝对静压p1=106657.6pa，p2=101324.72pa；标高差z1-z2=400m；气温t1=15，t2=20；空气的相对湿度1=70%，2=80%；断面平均风速v1=5.5m/s，v2=5m/s；求通风阻力lr、hr。 解：,z2-z1,2,1,查饱和蒸汽表得；t1=15时，ps1=1704pa；t2=20时，ps2=2337pa；,= 382.26 j/kg,因为,= 1.23877 kg/m3,或 hr=lrm=382.261.23877= 473.53 j/m3。,= 475.19 j/m3,第四节 能量方程在矿井通风中的应用,通风能量（压力）坡度线是对能量方程的图形描述，从图形上比较直观地反映了空气在流动过程中静压、动压、位压和通风阻力之间的相互转化关系，是矿井通风管理的重要图纸。,能量方程是通风工程的理论基础，通风工程中的各种技术测定与技术管理无不与它密切相关。,本节主要内容,能量坡度线的绘制方法； 能量坡度线的分析； 通风机全压；,1、能量坡度线的绘制方法,以矿井最低水平作为位压计算的基准面，在矿井通风系统中沿风流流程布置若干测点，测出各测点的绝对静压、风速、温度、相对湿度、标高等参数； 计算出各点的动压、位压和总能量（总压力）； 以能量（压力）为纵坐标，风流流程为横坐标建立坐标系； 根据边界条件确定起始点位置； 分别描出各测点，将同名参数点（如静压、全压等）用折线连接起来，即是所要绘制的通风系统中风流能量（压力）坡度线图。 具体包括三条坡度线：风流全能量（总压力）坡度线、风流全压力坡度线、风流静压坡度线。,如图所示的通风机水平风道系统，绘制能量（压力）坡度线。,(1)、水平风道的通风能量坡度线绘制,能量方程,风流的边界条件 入口断面处： ptin= p0， 所以: htin= 0， hia = - hva；,a-a断面和b-b断面间的能量方程如下:,因,故,p0,流程,全压坡度线,静压坡度线,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,p0,压力pa,流程,扩散器,全压坡度线,静压坡度线,b,c,若假设hbc=0,则,风流出口的边界条件 出口断面处 ： pi10= p0， 所以: ht10= hv10 , hi10= 0；,(2) 能量坡度线的分析,1 通风阻力与能量（压力）坡度线的关系； a、 抽出段 求入口断面0至i断面的通风阻力： hr0i = ht0hti = hti 求任意两断面（i 、j ）的通风阻力： hrij = ptiptj= htihtj,b、 压入段 求任意断面i至出口的通风阻力 由上式得：hri10 = hti ht10 = hti hv10 (hi10=0） 即：压入段任意断面i至出口的通风阻力（hri10）等于该断面的相对全压（hti）减去出口断面的动压（hv10） 。 求正压段任意两断面（i 、j ）的通风阻力： 同理可推导两断面之间的通风阻力为： hrij hti htj,2 能量坡度线表明了风流流动过程中的能量变化,绝对全压（相对全压）沿程是逐渐减小的； 绝对静压（相对静压）沿程分布是随动压的大小变化而变化，在全压一定的条件下风流在流动过程中其静压和动压注意在非水平巷道还有位能）可以相互转换；在断面小的地方，静压将有一部分转化为动压；反之，在断面大的地方，将有一部分动压转化为静压；,3、 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，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（hv）与扩散器自身的通风阻力（hrd）相比较来确定，即： hv= hvexhvex hrd 合理 hv= hvexhvex hrd 不合理,10,在压入段出现相对静压为负值的现象分析， 如上图，对 9 10 段列能量方程： hr910 = (p9hv9)( p10+ hv10) =p9hv9p0hv10 = h9hv9hv10 h9 = hr910（hv9hv10） 如果：hv9hv10 hr910，则， h90 （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，相对静压的负值越大，其扩散器回收动能的效果越好。,h9=p9-p10,动压的降低大于沿程阻力,压入式通风的压力坡度线,压入式通风系统压力坡度图,p0为地表大气压，pa；,抽出式通风的压力坡度线,抽出式通风系统压力坡度图,通风机安装在井下时压力坡度线,抽压结合式通风系统压力坡度图,（3）、通风机全压（ht） 1、通风机全压的概念 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。通风机的全压ht等于通风机出口全压与入口全压之差： ht = pt6pt5,2、通风机全压ht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： hr610 = pt6pt10 pt6 = hr