《矿井通风ch》PPT课件.ppt

1,重庆大学采矿工程系,第二章 矿井空气流动的基本理论,2,本章主要内容,空气主要物理参数 风流能量与压力 通风能量方程 能量方程在矿井通风中的应用,3,一、温度 1、概念 温度是描述物体冷热状态的物理量，是矿井表示气候条件的主要参数之一。 两种温标：热力学温标，单位K，摄氏温标，单位 。两者关系：T=273.15+t 两种温度：干球温度和湿球温度，测定时应注意避免热辐射效应，即避免在高温物体表面等附近测定，可达几度的误差。测定湿球温度时液泡附近风流不得低于3m/s，一般湿球温度低于或等于干球温度。 规程规定：生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26 ，机电硐室不得超过30 。,第一节 空气主要物理参数,4,2、矿内空气温度的影响因素 矿内空气温度是影响矿内气候条件的重要因素。气温过高或过低，对人体都有不良的影响。最适宜的矿内空气温度是1520。 岩石温度 由地表向深部，岩层温度可以划分为三个区带，即： 变温带：随地面气温的变化而变化的地带； 恒温带：地表下地温常年不变的地带； 增温带：恒温带以下地带； 不同深度处的岩层温度可按式计算： tt0+G ( ZZ0) 式中 t0恒温带处岩层的温度，； G地温梯度，即岩层温度随深度变化率，/m， 常用百米地温梯度，即/100m； Z岩层的深度； Z0恒温带的深度。,第一节 空气主要物理参数,5,空气的压缩与膨胀 空气向下流动时，空气受压缩产生热量，一般垂深每增加100米，温度升高1；相反，空气向上流动时，则因膨胀而降温，平均每升高100米，温度下降0.80.9。 氧化生热 矿井内的有机矿物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化发热。例如，经氧化生成2g二氧化碳时，可使1m3空气升温14.5。在煤层中的采掘巷道，暴露煤面氧化产生的热量较大，故回采工作面是通风系统中温度最高的区段。,第一节 空气主要物理参数,6,水分蒸发 水分蒸发时从空气中吸收热量，使空气温度降低。每蒸发一克水可吸收0.585千卡的热量，能使1 m3空气降温1.9，可见水的蒸发对降低气温起着重要的作用。 通风强度 (指单位时间进入井巷的风量) 温度较低的空气流经巷道或工作面时，能够吸收热量，供风量越大，吸收热量越多。因此，加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一。 地面空气温度的变化 地面气温对井下气温有直接影响，尤其是较浅的矿井，矿内空气温度受地面气温的影响更为显著。,第一节 空气主要物理参数,7,地下水的作用 矿井地层中如果有高温热泉，或有热水涌出时，能使地温升高，相反，若地下水活动强烈，则地温降低。 其它因素 如机械运转以及人体散热等都对井下气温有一定影响。特别是随着机械化程度的不断提高，机械运转所产生的热量不能忽视。,第一节 空气主要物理参数,8,3、矿内空气温度的变化规律,第一节 空气主要物理参数,在进风路线上：受围岩温度、几点设备散热、煤炭等氧化放热等多种因素影响，地面空气进入矿井后，其温度一般随流经的距离增长逐渐增高，通常在回采工作面等区域达到最高温度。但矿内空气的温度与地面气温相比，仍有有冬暖夏凉的现象。 在回风路线上：因通风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。,9,第一节 空气主要物理参数,二、压力（压强） 1、定义：空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。大气在地球表面由于受自身重量而形成的压力，称为大气压。压强在矿井通风中习惯称为压力，其实质是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。 2、压头：如果将密度为 的某液体注入到一个断面为A的垂直的管中，当液体的高度为 h 时，液体的体积为： V = hA m3 根据密度的定义，这时液体的质量为：mass=V =hA kg 液体的重力为：F=hAg N 根据压力的定义，有：P=F/A=gh N/m2 or Pa 因此，如果液体的密度已知，h就可代表压力。,10,第一节 空气主要物理参数,3、压力单位与计算基础： 单位与换算关系： Pa（N/m2、Nm/m3）、mmHg、mmH20、bar、atm 等，其换算关系为： 1 atm = 760 mmHg = 1013.25 mmbar = 101325 Pa 1 mmbar = 100 Pa = 10.2 mmH20 1 mmHg = 13.6mmH20 = 133.32 Pa 计算基础 绝对压力：以真空为零点起算的压力，符号P 相对压力：以当地同标高大气压为零点起算的压力，符号h 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：h=PP0,11,第一节 空气主要物理参数,注：相对压力为正时，称为正压（压力表读数即表压），当相对压力为负时，称为负压，负压的绝对值又称真空度（真空表读数）。,12,第一节 空气主要物理参数,4、影响空气压力的因素 大气压：因大气压受标高、气候条件（温度与湿度）的影响，因此上述因素也会影响矿井空气 压力，如淮南矿区。 风机：风机的进、出口两端产生压差对空气产生压力，因而影响矿井空气压力。,13,第一节 空气主要物理参数,三、湿度 1、概念：空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度，包括绝对湿度、相对温度和含湿量三种。 绝对湿度，v 单位体积空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对湿度，单位：kg/m3，即： v=Mv/V 注：蒸发过程的快慢与温度有关，在给定的压力下，当温度较高时，空气绝对湿度较大；在给定温度时，空气含有最大可能的水蒸汽量s时，这种空气处于饱和状态，一般温度越高， s越大，对应于饱和状态下的湿空气中水蒸气的分压称为水蒸气的饱和蒸汽压Ps ；在标准大气压下，不同温度下的Ps和s均可查表得到。,14,第一节 空气主要物理参数,相对湿度 单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（V）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（S）之比称为空气的相对湿度： V S PV PS 其反映了空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。,愈小 空气愈干爆， 为干空气； 愈大 空气愈潮湿， 为饱和空气。,注意：随着温度的下降，相对湿度增大，冷却到=1时的温度称为露点。在矿井回风线路上，温暖潮湿的空气向上流动时，由于气压降低，空气发生膨胀，部分水蒸气凝结，对地面风机运行产生一定的影响。,15,第一节 空气主要物理参数,例1：甲地：t= 18 ，V0.0107 Kg/m3 乙地：t= 30 ，V0.0154 Kg/m3 解：查附表 当t为18，s0.0154 Kg/m3 ， 当t为30，s 0.03037 Kg/m3， 甲地： VS0.7070 % 乙地： VS0.5151 % 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。 上例甲地、乙地的露点分别为多少？,16,第一节 空气主要物理参数,含湿量，d 含有1kg干空气的湿空气中水蒸汽的质量（kg）称为空气的含湿量。即： 利用理想气体状态方程和相对湿度的定义，可以推出： 因此，有含湿量的计算公式：,17,第一节 空气主要物理参数,2、相对湿度的测定与计算 测定方法 包括干球湿球法、露点法、电子式温度计。矿井通风中常用的是风扇温度计法（又称通风干湿表法）测定。 风扇温度计结构与原理 干湿球湿度差效应：湿球温度计水蒸气蒸发吸热导致蒸发液面温度降低，这种冷却程度取决于周围空气的相对湿度。如果温度不变的条件下，蒸发快慢则与空气的相对湿度、压力和风速有关，如果确保风速、压力不变，则湿球温度仅与有关。因此干湿球温度的温差反映了空气本身的相对湿度大小，根据温差即可计算得到相应的空气相对湿度，一般由干湿温度计的读数差和湿球温度查相对湿度表即可得到，此法精度不高，效率较低。,18,第一节 空气主要物理参数,结构与使用方法 结构：如图所示，其由干、湿球水银温度计和通风器组成，水银温度计1为干球温度计，2为湿球温度计，温度计外面均罩着双层金属保护管，以防止辐射影响，通风器内有发条和风扇，风扇在发条作用下载风管7中形成稳定的气流，使温度计水银球处在同一风速下测定流动状态下的空气温度。 使用：先湿润纱布，然后上紧发条，小风扇转动，空气由金属保护管4、5吸入，经由中间管从上部排出，形成稳定的风流（23m/s）后，根据干湿温度计的读数差以及湿球温度查表得到相对湿度。,19,第一节 空气主要物理参数,3、相对湿度的计算 方法1 式中： ：测点处的干湿球温度（ ） ：测点处对应 的饱和水蒸气绝对压力，kpa ：测点处对应 的实际水蒸气绝对压力，kpa P ：测点处的空气绝对静压，kPa,20,第一节 空气主要物理参数,方法2：由Goff-Gratch方程计算湿球温度 t对应的饱和水蒸气分压E，以及干球温度对应的饱和蒸汽压E，然后计算湿空气的实际水蒸汽压e： 式中A:干湿表系数，P：气压值（静压） 然后利用 计算得到相应的。 Goff-Gratch方程给出了水平面和冰面上饱和蒸汽压的计算公式，例如水平面饱和水蒸汽压ew （hPa）的计算公式为：,21,第一节 空气主要物理参数,4、井下空气湿度的变化规律,空气中1时，处于饱和状态，不能再吸湿，无干燥能力， 越小，偏离饱和程度越大，干燥能力越强，一般=5060%时，人体最适宜；矿井通风线路上， 受传热等因素影响而发生变化。 在进风线路上：冬季冷空气进入井下，温度升高， S增大，沿途吸收水分，井巷壁面干燥；夏季热空气进入井下，温度降低， S减小，部分水蒸气凝结，使井巷壁面潮湿。,夏,冬,采掘工作面和回风线路上：一般温度较高，且常年变化不大，相对湿度=90100%。当这些温暖潮湿的空气向上流动时，由于气压降低，空气膨胀降温，导致部分水蒸气凝结，可能对地面风机运行造成影响。 随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至百吨的地下水。,22,第一节 空气主要物理参数,四、密度与比容 1、定义 ：单位体积空气所具有的质量称为空气密度，与P、t、湿度等有关，单位：kg/m3 。湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即： 对于干空气，可以视为理想气体，因此满足理想气体状态方程： 例如标准状态下（101325Pa，干球温度为0 ），因此干空气的密度为： 对于干空气，已知P、T即可计算得到密度。但实际矿井空气为湿空气，这种计算有一定误差。,23,第一节 空气主要物理参数,2、矿井空气密度计算 实际矿井空气为湿空气，因此其密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即： 湿空气中的干空气和水蒸气均可视为理想气体，因此都满足方程： 由相对湿度的定义以及状态方程，可以得到湿空气的密度计算公式如下： 式中：符号含义见教材。 由此可见：矿井空气密度的测算，需要测定温度、空气压力、相对湿度，并知道该温度下的饱和水蒸汽压，然后以上述公式进行计算。详见煤矿井下开采通风技术条件AQ 1028-2006 A.3.1.,24,第一节 空气主要物理参数,3、风量的单位问题 如果温度为30 时，气压95kPa的空气，以200 m3/s的风量流入矿井，在井底测得的温度为37 ，气压为102kPa。如果没有漏风，且水蒸气量也不变化，计算进风中井底空气的体积流率。因为 故： 结果表明：当风流到底进风井井筒底部前，风流体积流率损失了9m3/s，这是由于空气压缩导致体积流率降低。当矿井开采较深时，井筒深度较大（1000m），这种变化更大，但一般如果井筒不太深，空气压缩导致的体积变化不大时。一般仍然用体积流率表示风量。,25,第一节 空气主要物理参数,五 矿井空气的热力学过程与空气的可压缩性 温度不过低、压力不太高时，可以视为理想气体，因而满足理想气体状态方程： 1、等容过程 在比容保持不变时，即v=常数时，由气体状态方程可知： 因此，绝对压力和绝对温度成正比。 因v不变，即dv=0，系统对外不做功，且有Pdv=0，由热力学第一定律得： 可见，空气所吸收或放出的热量等于内能的增加或减少，也即外部加入到系统的热量全部用于增加系统的内能。,26,第一节 空气主要物理参数,2、等压过程 当P=常数时，则v/T=R/P=常数，即v和T成正比。 对外界作功为： 热量变化为： 可见：在等压过程中，空气所吸收或放出的热量用于空气焓的增加或减少。,27,第一节 空气主要物理参数,3、等温过程 当T=常数时，则 ，即P和v成反比。因 , 则对外作功为： 因T不变，内能u不变，故热量变化为： 因此，在等温过程中，空气从外界获得的热量全部用于对外做功；反之，外界对空气所做的功，等于空气向外界的放热。,28,第一节 空气主要物理参数,4、气体的可压缩性 当速度远小于音速时，流动过程中的压力、温度变化较小，因而气体密度变化不大，可视为为常数，即气体可视为不可压缩气体； 在音速或超音速流动条件下，气体密度变化较大，此时必须考虑气体的可压缩性； 在通风过程中，虽然整个系统中气体的密度可能具有较大的变化，但对于各段气体，其密度变化并不大，可以视为不可压缩气体。,29,第一节 空气主要物理参数,六、焓 焓是一个复合的状态参数，它是内能u和压力功PV之和，焓也称热焓。 单位质量（1kg）物质的焓称为比焓（有时也将比焓简称为焓），即有： i=id+diV=1.0045t + d(2501+1.85t) 实际应用焓-湿图（I-d),30,第一节 空气主要物理参数,七、 粘性 1、概念 静止流体不能承受切应力，但当流体处于运动时，相邻流层间的相对运动却是有抵抗的，这种抵抗力即是粘性应力。因此，流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动（或抵抗变形）的性质，称为流体的粘性。其实质是由于分子热运动导致各流层间交换动量。 例如图示的管道中空气流动，管壁附近的流速较小，向管道轴线方向增大， 由牛顿粘性定律有： 图2-1-1 管道中流层速度分布,式中：空气的动力粘性系数，单位：Pa.S。,31,第一节 空气主要物理参数,2、注意的问题 粘性应力的大小与粘性系数、速度梯度有关，因此粘性系数较小的流体（如空气、水等）且速度梯度不大时，可以忽略粘性不计，即此时可将流体视为理想流体（切向变形无任何抵抗）。 除动力粘性系数，还有运动粘性系数， ，单位： m2/s 实际流体是有粘性的，静止时粘性仍存在，只是未表现出来。 3、影响粘性系数的因素 流体种类：一般空气、水的粘性系数较小，甘油等粘性系数较大； 温度：液体粘性系数随温度的升高降低，气体的粘性系数随温度升高而降低，如图2-1-2所示。 压力：对粘性系数的影响较小。 4、常见流体的粘性系数见表2-1-2.,32,第二节 风流的能量与压力,1、问题的提出 矿井空气流动的内在动力是什么？ 矿井空气流动的基本规律是什么？ 矿井通风中如何运用这些规律？ 汽车轮胎打气后，打开阀门，由于存在内外压差而形成持续的气流，直到内外压力达到平衡；气象图上，风流总是从高压区流向低压区，且压差越大，流动越快；矿井通风中，空气从一个断面流动到另一个断面，也必须有这种压差作用，才能保持持续的流动，却压差越大，流量越大。 实际上，压差作用导致的空气流动，也可以理解为能量差导致的空气流动，且风流总是从能量较大的断面流向能量较小的断面。大量分子热运动对器壁的作用表现为压力，而分子热运动而具有的分子能量，其中一部分能够转化为具有对外做功能力的机械能。因此，有必要研究风流所具有的能量形式。,33,第二节 风流的能量与压力,2、风流的能量形式与转换,热力学内能,机械能,动能（宏观运动）,位能（重力场）,总能,上述能量形式中，静压能、动能和重力位能可以相互转化，但保持总能量守恒。 在矿井通风中，将静压能和重力位能统称为势能。,静压能,34,第二节 风流的能量与压力,一、风流的能量与压力 1、静压能静压 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,由分子热运而具有的分子动能，其中一部分转化的能够对外作功的机械能，叫静压能，Jm3。在矿井通风中，压力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，值相等。,35,第二节 风流的能量与压力,静压特点 无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力； 风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面； 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。,36,第二节 风流的能量与压力,压力的两种测算基准 绝对压力，P 以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力即为绝对压力，用 P 表示。 相对压力，h 以当时当地同标高的大气压力为测算基准(零点)测得的压力即相对压力，即通常所说的表压力，用 h 表示。 注：风流的绝对压力（P）、相对压力（h）和与其对应的大气压（P0）三者之间的关系为： h = P P0,37,注意 绝对静压Pi的值只能为正（ 0），可以大于、等于或小于与该点同标高的大气压； 相对压力hi有正负之分，分别称为正压和负压。,38,第二节 风流的能量与压力,2、重力位能 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 EP0 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： EP0=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。,39,第二节 风流的能量与压力,位能的计算与测定 重力位能的计算应有一个参照基准面。如下图 1两断面之间的位能差：,即1-2断面的位能差等于1-2断面单位面积上的空气柱重量。 实际测定时，由于1-2断面的标高差较大，密度并非常数，因此可以在1-2断面之间布置多个测点，分别测出各点的静压、温度、相对湿度并计算出各点的空气密度以及各测段的平均密度，再由下式计算1-2断面之间的位能差。,40,第二节 风流的能量与压力,位能与静压的关系 当空气静止时，如图所示系统。由空气静力学可知：各断面的机械能相等，以2-2断面为基准面： 1-1断面的总机械能 E1=EP01+P1 2-2断面的总机械能 E2=EP02+P2 由E1=E2得： EP01+P1=EP02+P2 由于取EP02=0（2-2断面为基准面），且EP01=12.g.Z12，所以： P2=EP01+P1=12.g.Z12+P1 可见，2断面的静压与1断面的静压之差是1-2断面单位面积上的空气柱重量，也可以认为2断面的静压超过1断面的静压（静压差）是由于两断面位能差转化而来的。,41,第二节 风流的能量与压力,位能的特点 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，即在讨论位能时，须选定基准面，一般为通风系统的最低水平。 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。 位能和静压可以相互转化，当风流从较高处流向低处时，位能转化为静压，反之则静压转化为位能，且转化时保持能量守恒。,42,第二节 风流的能量与压力,3.动能动压 动能与动压的概念 当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动而具有动能（宏观），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。 如果i点处的密度为i （ kg/m3 ），速度为vi （m/s），则单位体积空气所具有的动能Evi（ J/m3 ）为： 由于Evi对外所呈现的动压hvi，因此， hvi= Evi。可见动压实际上是单位体积空气做宏观定向流动时所具有的能够对外做功的能量值。,43,第二节 风流的能量与压力,动压的特点 只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性，静止空气的动压为零。 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；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，当作用面作用面平行于流动方向时，动压为零，故在测定动压时，应使感应孔垂直于运动方向。 在同巷道断面上，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。因此，通常所称的某断面动压意即即为该断面平均风速计算得到的动压值。,44,第二节 风流的能量与压力,二、风流点压力及其相互关系 1、风流点压力：指单位体积空气具有的压力，在井巷进而通风管道中，根据风流点压力的特征可以分为静压、动压和全压三种。 全压 风流中任一点i，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之和即该点风流的全压，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 相对全压（hti）：hti Pti P0i = hihvi,45,根据相对全压可以将通风分为正压通风和负压通风两类，即当风流中任一点的相对全压hti满足如下条件下时：,hti Pti P0i,0，正压通风（如压入式， Pti P0i),0，负压通风（如抽出式， Pti P0i),根据相对全压对通风分类,46,第二节 风流的能量与压力,可见，无论压入式还是抽出式通风，风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为： Pti=Pi + hvi,i点的动压（恒大于零）,i点绝对静压,i点绝对全压,由于hvi0，故有PtiPi ,即无论抽出式还是压入式通风，其风流中绝对全压总是大于绝对静压的。 2、风流点压力之间的关系,47,第二节 风流的能量与压力,压入式通风,抽出式通风,a,b,P0,抽出式通风,压入式通风,48,第二节 风流的能量与压力,注意到有下式： hti hihvi 讨论： 当为正压通风（压入式）时， hti0，由于动压hvi恒大于零，因此相对静压hi可正可负。一般情况下， hi0，但在某些特殊情况下也可能为负，例如通风机出口扩散器的相对静压hi一般为负。 当为负压通风（抽出式）时， hti0 为保证hvi 恒为正，因此必然有| hi | hti |，也即在抽出式通风中，相对静压大于相对全压。,49,第二节 风流的能量与压力,例题2-2-1 如图2-2-3所示的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+1150=102332+150=102482Pa,50,第二节 风流的能量与压力,例题2-2-2，如图2-2-3所示的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点的绝对静压Pti。 解：(1) Pi=P0i+hi=101332.5-1000=100332Pa (2) |hti| =|hi| hvi1000-150=850Pa hti 850 Pa (3) Pti=P0i+hti=101332.5-850=100482Pa,51,第二节 风流的能量与压力,2、风流点压力的测定 矿井主要压力测定仪器仪表 绝对压力测量测定压力 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测定压差 恒温气压计、“”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。 感压仪器测定风流点压 皮托管：承受和传递压力，测压。,52,53,第二节 风流的能量与压力,空盒气压计 工作原理：如图所示，波纹真空膜盒感受空气压力的变化，发生轴向变形，通过拉杆和传动机构使指针偏转。 测定时注意事项：测压范围为80108Kpa；测定前轻轻敲击消除传动机构的摩擦；仪器有滞后现象，因此测定一点的压力时放置35min后读数，若从一地移动到另一地，且两点压差为26685337Pa，则需放置20min；读数时，视线与刻度盘保持垂直；气压计有厂方提供的校正表，用于刻度校正、温度校正和补充校正，具体校正方法见教材。 精密数字气压计 便携式本质安全型气压计，由气压探头（真空波纹管和弹性元件）感受气压，经模数转换、放大和调节等电路，进行数字显示。按使用说明书进行面板操作即可。,54,55,第二节 风流的能量与压力,U型压差计（U型水柱计） 包括垂直型和倾斜型两类，工作原理如图所示，U型管中装有蒸馏水或酒精，中间有刻度尺。测压前，U型管中的水柱处于同一水平，测压时，在压差作用下，两侧液面存在高差，这种高差与两侧压差大小一致。 YYT-200型单管压差计 结构和工作原理：由大断面的容器A（面积为F1）和小断面的倾斜管B（面积为F2）互相连通，并在其中装有适量酒精的仪器。若在P1与P2压差作用下，具有倾斜度的管子B内的液体在垂直方向升高了一个高度Z1，而A容器内的液面下降了Z2，这时仪器内液面的高差为：Z=Z1+Z2 由于A容器液体下降的体积与B管液体上升的体积相等，即：Z2F1=LF2 则 Z2=LF2/F1并且有：Z1=Lsin,56,第二节 风流的能量与压力,把Z1与Z2代入上式，得： Z=Z1+Z2=L（sin+F2/F1） 故用此压差计测得P1与P2之压差h为： h=Zg=Lg(sin+F2/F1) 式中： 酒精的比重； 令： K=g(sin+F2/F1) 则： h=KL 式中： K仪器的校正系数； L倾斜管上的读数，mm。,57,第二节 风流的能量与压力,单管倾斜压差计的使用 注入酒精：旋开大容器的加液盖，缓慢加入配制好的酒精（比重0.81），使其液面在倾斜测压管上的0刻度附近，然后盖好加液盖。 赶气泡和调平仪器：将阀门柄拨到测压处，用口吹气，使酒精液面缓慢上升，观察有无气泡，多次吹气，直到没有气泡为止。调节底板固定螺钉，使仪器处于水平。 校准：顺势针旋转手柄到校正位置，使各连接胶管隔断并与大气相通，旋转零位调整旋钮，使测压管内液面对准零点。 检漏：将测压管固定在K值为0.8以上，轻吹接有“+”接头的胶管，测压管液面上升，卡死胶管，观察液面是否下降，下降表明漏气，此时应检查各部分旋钮和接头是否连接紧密。 测压：将测压管固定在相应的校正系数K上，并将高压接到仪器的“+”接头上，将低压接到仪器的“-”接头上，转动三通旋塞到“测压”位置，读取液面长度L，将其乘以玻璃管所在位置的校正系数K，即为测得的压差。,58,YJB-1500型,59,第二节 风流的能量与压力,皮托管 皮托管如图所示，它是传递风流压力的仪器，由内、外两根细金属管组成，内管前端中心孔与标有“+”号的管脚相通，测定时，内管前端中心孔正对风流，因此其感受的是绝对静压和该点的动压作用，称为全压孔（+）。外管前端封闭，在其管壁开有46个小孔与标有“-”号的管脚相通，测定时，管壁上的小孔与风流平行，其感受的只是测点的绝对静压，因此称为静压孔（-）。,60,61,第二节 风流的能量与压力,压力测定 绝对压力 由仪器直接测量并读数得到。 相对静压 以如图正压通风为例 注意连接方法：,i,62,第二节 风流的能量与压力,推导如图 h = hi ? 以水柱计的等压面0 0 为基准面， 设 i点至基准面的高度为 Z ，胶皮管内的空气平均密度为m，胶皮管外的空气平均密度为m；与i点同标高的大气压P0i。 则水柱计等压面 0 0两侧的受力分别为： 水柱计左边等压面上受到的力： P左 P+ 水gh P0i + mg(z-h)+ 水gh 水柱计右边等压面上受到的力： P右 Pi+mgz 由等压面的定义有： P左 P右 ，即： P0i+mg(z-h)+ 水gh Pi+mgz 若 m m，且考虑到mgh为一个微小量，因此有： 水ghPi-P0i,63,第二节 风流的能量与压力,说明：（1）水柱计上下移动时，hi 保持不变；（推导过程中所做的假设与Z无关，故此。但一般实际测定时，U型水柱计与i点同标高较好） （2）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 hi 相同； 对于负压通风的情况，请同学自行参考教材上的讲解内容进行 推导（注意连接方法）：,64,第二节 风流的能量与压力,相对全压、动压测量 测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化）,65,第二节 风流的能量与压力,作 业 2-13 2-14 另外作业 测得风筒内某点i相对压力 如图所示，求动压，并判断 通风方式,66,第三节 通风能量方程,背景 矿井风流在井巷中流动时受通风阻力作用而消耗能量，为保证空气连续流动，需有通风动力对空气作功，以补偿流动过程中的能量消耗（或者确保两断面之间存在风压）。 在空气流动过程中，由于其自身和环境的影响，空气压力、能量等参数沿程变化，那么搞清这种变化规律对矿井空气流动具有重要的意义。 矿井通风过程中，作为流动介质的空气，自然满足流体力学的基本规律，即连续方程和能量方程，为更好理解矿井通风能量方程，先简要回顾流体力学的一些基本概念。,67,第三节 通风能量方程,流体力学基本知识回顾 1、流体力学模型 连续介质模型 流体由大量分子组成，是不连续的，但通常只关注流体的宏观运动而非微观分子运动，作为流体质点由无数大量分子组成，但其相对宏观尺度又无限小，因此可以将流场视为由连续分布的质点组成，即连续介质。因此可用数学方法来描述流场分布及其随时间的变化。 无粘流体：实际流体有粘性，某些问题可以忽略粘性而成为无粘流体。 不可压缩流体,68,第三节 通风能量方程,2、流体运动的描述 拉格朗日法 在某t0时，流场中某质点的位置为（a,b,c），随时间迁移，质点位置发生改变，用（x,y,z）表示t时刻该质点的位置，则有： 拉格朗日法追踪质点的运动。 欧拉法 把个坐标方向上的速度分量表示为x,y,z,t的函数，即：,69,第三节 通风能量方程,其直接描述的空间上的速度场。 恒定流动与非恒定流动 流体力学主要关心流速和压力的空间分布及其随时间的变化，其中更关注流速，因其实流动状态的描述，且因流动出现于流速关系密切的惯性力（质点本身流速变化所致）和粘性力（质点之间存在流速差所致）。 流场中各点流速（压力、粘性力、惯性力）随时间变化的流场称为非恒定流动，各点流速不随时间变化的流场称为恒定流动。 流线与迹线 某一时刻，各点切线方向与通过该点的流体质点的流速方向重合的空间曲线称为流线（某时刻的曲线），是Euler法对流动的描述。同一质点在不同时刻所占空间位置的连线，称为迹线，是Lagrange法对流动的描述。 注：在恒定流动中，迹线与流线重合。,70,第三节 通风能量方程,2、一元流动模型 实际流动是三维的，问题复杂，如何把某些流动简化为一元流动？,在流场内，取任意非流线的封闭曲线l，沿此曲线上的全部点做流线，这些流线组成流管，管内的流体称为流束，垂直于流速的断面称为过流断面，当流束的过流断面无限小时，称为元流，元流断面上的流速和压力可认为是均布，因此元流断面上任一点可以代表全部断面的情况。对元流，断面流速仅随流动方向s变化，即沿流线变化，故u=f（s），此为一元流动。,71,第三节 通风能量方程,实际如矿井通风巷道、流体输送管道等流动，流动断面可视为无数元流之和，即总流。总流的过流断面（处处垂直于总流中全部流线的断面）上的流速一般不等。假设如下图分布：,在过流断面上取微元dA，u为dA上的流速，因为A为过流断面，u的方向与dA的法向一致。故单位时间流入元流dA的体积dQ为dQ=udA。 在整个过流断面A上，流入流体的体积Q为dQ在过流断面上的积分，即： Q断面的流量，m3/s 可以定义平均流速v为： ，故Q=Av 可以看出：用平均流速代替实际流速，问题可以简化为管道断面平均流速沿流向如何变化的问题，即v=f（s）问题。,元流是总流的微分流动、断面平均流动,72,第三节 通风能量方程,一、空气流动连续性方程 在通风管道或巷道中，v=f（s）究竟如何变化？运用质量守恒定律来解决此问题。,73,第三节 通风能量方程,如图井巷中风流从1断面（平均流速V1、断面积S1）流向2 断面（平均流速V2、断面积S2）。在dt时间内，流入A1的质量和流出A2的质量分别为： V1 S1dt= 1 Q1 dt， 2 V2 S2dt= 2 Q2 dt，由质量守恒有： Q1 dt Q dt 即： Q1 Q 或 V1 S1= 2 V2 S2 、2 1、2断面上空气的平均密度，kg/m3 ； V1,，V21、2 断面上空气的平均流速，m/s； S1、S2 1、断面面积，m2。 Q1、Q2 1、断面的风量，m3/s 对不可压： ，因此有， Q1 Q或V1 S1= V2 S2：,总流的质量平衡,74,第三节 通风能量方程,由于1、2断面是任取的，可以推广到全部流动的 各个断面，即 （1） Q1Q2= Q （2） V1 S1 V S= VS 注：从质量平衡的观点，还可以推广到任意空间，如合流与分流的情况。 分流时： 合流时：,Q1=Q2+Q3,V1 S1 V S+ V3S3,Q1+Q2=Q3,V1 S1+ V2S2=V3S3,75,第三节 通风能量方程,注意 实际上，前面的推导隐含假设了空气流动为恒定流动，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其的流体质量。 空气在矿井巷道中的流动可以近似地认为是一元恒定流，这在工程运用中是满足要求的，且空气流动的连续方程为井巷风量的测算提供了理论依据。 前面讨论了一元恒定流动的连续方程，是运动学方程，给出了沿一元流长度上，不同断面上流速的变化规律，未涉及到流体的受力性质，因此只决定了流速的相对比例，不能给出流速的绝对值。为此，还须从动力学和能量的观点出发，考虑外力作用下流体运动及其能量变化所遵循的规律。,76,第三节 通风能量方程,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，是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。 （一）单位质量(1kg)流量的能量方程 在井巷通风中，风流的能量由机械能（静压能、动压能、位能）和内能组成，常用1kg空气或1m3空气所具有的能量表示。 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， 对如图所示的系统，单位质量流体有：,77,第三节 通风能量方程,假设：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） ； 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）； LR（J/kg）：克服流动阻力消耗的能量。,0,0,LR,qR,78,第三节 通风能量方程,能量守恒定律： （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。如何计算积分项？注意到：,79,第三节 通风能量方程,上述三式整理得： （2） 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般形式。下面讨论（2）式中积分项 的处理。 方法一：对多变过程：,80,第三节 通风能量方程,在深井通风中，n值的变化较大，可以把风流分成若干段（各段n的取值不同），每一段近似地认为n值不变，当n为固定值时，对 进行微分，并整理可以得到： 即可以由相邻两个实测状态来求得此过程的n值。 方法二 、因为 因此有： 将上式代入积分项 ，即可得到： 代入（2）式，即： 此即单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程。,81,第三节 通风能量方程,进一步，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。因此有： 问题是m如何确定？ 由平均密度m的定义以及 ，可以得到如下表达式：,82,第三节 通风能量方程,总结前面分析，得到单位质量流量的能量方程式又可写为： （3） (J/kg),无源,有源,83,第三节 通风能量方程,（二）单位体积(1m3)流量的能量方程 我国矿井通风中习惯使用单位体积（1m3）流体的能量方程。问题是如何有前者得到后者？由（3）式两边同时乘以平均密度，即可得到： 显然，上式左边项为1m3空气流动过程中的能量损失，即定义为通风阻力hR，单位为J/m3（Pa）即 式中 是在压源（如风机）作用下1m3空气流过时增加的能量，为风机的全压Ht，显然有：,84,第三节 通风能量方程,因此，单位体积空气的能量方程的形式可以重写为： 方程中，各项的单位均为J/m3或Pa。,85,第三节 通风能量方程,关于单位体积能量方程几点说明 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。 2、gm（Z1-Z2）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。其中，关键是m的计算与基准面选取。 m的测算原则：将12测段分为若干段，计算各测定断面的空气密度(测定 P、t 、)，求其几何平均值。 基准面选取：取测段之间的最低标高作为基准面。,86,第三节 通风能量方程,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：,87,第三节 通风能量方程,、 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： 其中：、2分别为1、断面风流的平均气密度。,88,第三节 通风能量方程,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Kv加以修正。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为1。,89,第三节 通风能量方程,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： 或 Jm3,无源,有源,90,第三节 通风能量方程,（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。,91,第三节 通风能量方程,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比较，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。,92,第三节 通风能量方程,6、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，如图所示，Q1=Q2+Q3，则有总能量守恒与转换定律列方程：,93,第三节 通风能量方程,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。,94,第三节 通风能量方程,例 2、在进风上山中测得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：查饱和蒸汽表得： t1=15时，PS1=1704Pa； t2=20时，PS2=2337Pa；,95,第三节 通风能量方程,96,第三节 通风能量方程,97,第三节 通风能量方程,或 hR=LRm=382.261.23877= 473.53 J/m3,98,第四节 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） 能量（压力）坡度线的作法 如图的通风机水平风道系统，在抽出段有突扩和突缩断面，出风口安装有扩散器，为绘制能量（压力）坡度线，需在风道中布置测点，分别测出各点的相对静压hi、有关断面的动压hvi、风道断面积以及风道同标高的大气压从而计算各点的相对全压hti。,扩散器,99,第四节 能量方程在矿井通风中的应用,、风流的边界条件 入口断面处（in）：风流速度为零，风流入口断面处的绝对全压等于大气压，即有： Ptin=P0，所以，htin=0，hin= hvin； 出口断面处（ex） ： 风流具有一定的速度，风流出口断面处的绝对静压等于大气压，即： Pex=P0，所以，hex=0，htex=hvex； 、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； ）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，就得到所要绘制的能量（压力）坡度线。,100,第四节 能量方程在矿井通风