矿井通风-学习情景3 通风压力测定与分析

1、学习情景学习情景3 通风压力测定与分析通风压力测定与分析 任务任务1 1 风流点压力的测量风流点压力的测量 任务任务2 2 矿井主要通风机内静压水柱计使用矿井主要通风机内静压水柱计使用 任务任务3 3 矿井通风中的能量方程及其应用矿井通风中的能量方程及其应用 学习情景学习情景3 3 通风压力测定与分析通风压力测定与分析 本章的重点：本章的重点： 1 1、风流的能量与点压力、风流的能量与点压力-静压，静压能；动压、动能；位能；全压；静压，静压能；动压、动能；位能；全压； 抽出式和压入式通风中相对静压、相对全压与动压的关系抽出式和压入式通风中相对静压、相对全压与动压的关系 2 2、能量方程、能量方

2、程 连续性方程；单位质量能量方程、单位体积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 3 3、能量方程在矿井中的应用、能量方程在矿井中的应用-边界条件、压力坡度图边界条件、压力坡度图 本章的难点：本章的难点： 点压力之间的关系点压力之间的关系 能量方程及其在矿井中的应用能量方程及其在矿井中的应用 矿井常用压强单位：矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmH20 bar mbar atm 等等。 换算关系：换算关系： 1atm =760mmHg=1013.25 mbar=101325Pa 1 bar = 0.1 Mpa = 100000 Pa 1mbar =1 hpa= 100

3、 Pa 1mmH20 = 9.81 Pa 物理参数物理参数 任务任务1 1 风流的能量与压力风流的能量与压力 一、风流的能量与压力一、风流的能量与压力 1.1.静压能静压静压能静压 （1 1）静压能与静压的概念）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。作无秩空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。作无秩 序热运动的空气分子不断撞击器壁所呈现的压力称为静压；序热运动的空气分子不断撞击器壁所呈现的压力称为静压； 单位体积空气所具有的对外作功的机械能单位体积空气所具有的对外作功的机械能叫静压能，叫静压能，J Jm m3 3， 在矿井通风中，在矿井通风中，压力的概念与初中物理学中的

4、压强相同压力的概念与初中物理学中的压强相同， 静压静压Pa N/mPa N/m2 2也可称为是静压能也可称为是静压能，值相等。，值相等。 区别：能量区别：能量 促使空气流动的根本原因是能量差促使空气流动的根本原因是能量差 压力压力 对外做功有力的表现对外做功有力的表现 能量压力能量压力 （）静压特点（）静压特点 a.a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压无论静止的空气还是流动的空气都具有静压 力；力； b.b.风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作 用面；用面； c.c.风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了 单位

5、体积风流所具有的能够对外作功的静压能的单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的 多少。如说多少。如说风流的压力为风流的压力为101332Pa101332Pa，则指风流，则指风流1m1m3 3 具有具有101332J101332J的静压能的静压能。 （）压力的两种测算基准（表示方法（）压力的两种测算基准（表示方法） 根据压力的测算基准不同，压力可分为：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绝对压力和相对压力。 A A、绝对压力：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，用绝对压力，用 P P 表示。表示。

6、B B、相对压力：相对压力： 以当时当地同标高的大气压力为测算基准以当时当地同标高的大气压力为测算基准( (零点零点) )测测 得的压力称之为得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力相对压力，即通常所说的表压力，用，用 h h 表示。表示。 风流的绝对压力（风流的绝对压力（P P）、相对压力（）、相对压力（h h）和与其对应的大气压（）和与其对应的大气压（P P0 0） 三者之间的关系如下式所示：三者之间的关系如下式所示：h = P h = P P P0 0 a b Pa 真空 P0 Pb ha(+) hb(-) P0 能量压力能量压力 P Pi i 与与 h hi i 比较：比较： 绝对静

7、压总是为正，而相对静压有绝对静压总是为正，而相对静压有正负正负之分；之分； 2 2、重力位能、重力位能 （1)1)重力位能的概念重力位能的概念 物体在地球重力场中因物体在地球重力场中因地球引力地球引力的作用，由于位置的不同而具有的的作用，由于位置的不同而具有的 一种能量叫一种能量叫重力位能重力位能，简称位能，用，简称位能，用 E EPO PO 表示。 表示。 如果把质量为如果把质量为M M（kgkg）的物体从某一基准面提高）的物体从某一基准面提高Z Z（m m），就要对物体），就要对物体 克服重力作功克服重力作功M.g.ZM.g.Z（J J），物体因而获得同样数量（），物体因而获得同样数量（M

8、.g.ZM.g.Z）的重力位能。）的重力位能。 即：即： E EPO PO=M.g.Z =M.g.Z 重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得 其大小，而且是一个其大小，而且是一个相对值相对值 。实际工作中一般计算位能差。实际工作中一般计算位能差。 （）位能计算（）位能计算 重力位能的计算应有一个重力位能的计算应有一个参照基准面参照基准面。 E Ep0.12 p0.12= = 12 12 gz gz12 12 如下图如下图 1 1两断面之间的位能差：两断面之间的位能差： 能量压力能量压力 （3)3)位能与静压的关系位能与静压的关系 当空气静止时（当空

9、气静止时（v=0v=0），），由空气静力学可知：各断面的机械能相等。设以由空气静力学可知：各断面的机械能相等。设以2-22-2 断面为基准面：断面为基准面： 1-11-1断面的总机械能断面的总机械能 E E1 1=E=EPO1 PO1+P +P1 1 2-2 2-2断面的总机械能断面的总机械能 E E2 2=E=EPO2 PO2+P +P2 2 由由E E1 1=E=E2 2得：得： E EPO1 PO1+P +P1 1=E=EPO2 PO2+P +P2 2 由于由于E EPO2 PO2=0 =0（2-22-2断面为基准面），断面为基准面），E EPO1 PO1= = 1212.g.Z .g.

10、Z12 12， ， 所以：所以：P P2 2=E=EPO1 PO1+P +P1 1= = 12 12.g.Z .g.Z12 12+P +P1 1 说明：说明：、位能与静压能之间可以互相转化。、位能与静压能之间可以互相转化。 IIII、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能或势压势能或势压。 （4)4)位能的特点位能的特点 a.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。能差为定值。 b.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

11、现压力，故不能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。象静压那样用仪表进行直接测量。 c.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。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。 能量压力能量压力 3.3.动能动压动能动压 （1)1)动能与动压的概念动能与动压的概念 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E Ev v表示，表示， J/mJ/m3 3；其动能所转化显现的压力叫；其动能所转化显现的压力叫动压动压或称或称速压速压，

12、用符号，用符号h hv v表示，单位表示，单位PaPa。 （2)2)动压的计算动压的计算 单位体积空气所具有的动能为：单位体积空气所具有的动能为：E Evi vi 1/21/2 i iV V2 2 式中：式中： i i i i点的空气密度，点的空气密度，Kg/m3Kg/m3； v vi i点的空气流速，点的空气流速，m/sm/s。 E Evi vi对外所呈现的动压 对外所呈现的动压h hvi vi，其值相同。 ，其值相同。 （3)3)动压的特点动压的特点 a.a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。 b.b.动压总是大于零。垂

13、直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向动压总是大于零。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。动压真值。 c.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。其动压值不等。 d. d.某断面动压即为该断面平均风速计算值。某断面动压即为该断面平均风速计算值。 能量压力能量压力 （）全压（）全压 风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压

14、和风道中任一点风流，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动压，两者之和称之为该点风流的全压全压，即：，即： 全压静压动压全压静压动压。 由于静压有绝对和相对之分，故全压也有由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对绝对和相对之分。之分。 、绝对全压（、绝对全压（P Pti ti） ） P Pti ti P Pi ih hvi vi B B、相对全压（、相对全压（h hti ti） ） h hti ti h hi ih hvi vi P Pti ti P Poi oi 说明 说明：A A、相对全压有正负之分；、相对全压有正负之分； B B、无论正压通风还是负压通风，、

15、无论正压通风还是负压通风，P Pti tiP Pi i h hti ti h hi i。 （5 5）总压力）总压力= =静压静压+ +动压动压+ +位压位压 能量压力能量压力 二、风流的点压力之间相互关系二、风流的点压力之间相互关系 风流的点压力是指测点处单位体积风流的点压力是指测点处单位体积(1m(1m3 3) ) 空气所具有的压力。通风管道中流动的风流空气所具有的压力。通风管道中流动的风流 的点压力可分为：的点压力可分为：静压、动压和全压。静压、动压和全压。 风流中任一点风流中任一点i i的动压、绝对静压和绝对的动压、绝对静压和绝对 全压的关系为：全压的关系为：h hvi vi=P =Pt

16、i ti-P -Pi i h hvi vi、 、h hI I和和h hti ti三者之间的关系为： 三者之间的关系为： h hti ti = h = hi i + h + hvi vi 。 。 hv htb (-) hb(-) 风流点压力间的关系风流点压力间的关系 a b Pa 真空真空 P0 Pb ha(+) P0 Pta hv hta (+) Ptb 抽出式通风抽出式通风压入式通风压入式通风 压入式通风压入式通风抽出式通风抽出式通风 能量压力能量压力 例题例题2-2-1 2-2-1 如图压入式通风风筒中某点如图压入式通风风筒中某点i i的的hi=1000Pahi=1000Pa，hvi=15

17、0Pahvi=150Pa，风筒外与，风筒外与 i i点同标高的点同标高的P P0i 0i=101332Pa =101332Pa，求：，求： (1) i(1) i点的绝对静压点的绝对静压P Pi i； (2) i(2) i点的相对全压点的相对全压h hti ti； ； (3) i(3) i点的绝对全压点的绝对全压P Pti ti。 。 解：解：(1) P(1) Pi i=P=P0i 0i+h +hi i=101332+1000=102332Pa=101332+1000=102332Pa (2) h (2) hti ti=h =hi i+h+hvi vi=1000+150=1150Pa =1000

18、+150=1150Pa (3) P (3) Pti ti=P =P0i 0i+h +hti ti=P =Pi i+h+hvi vi=101332.32+1150=Pa =101332.32+1150=Pa 例题例题2-2-2 2-2-2 如图抽出式通风风筒中某点如图抽出式通风风筒中某点i i的的h hi i=1000Pa=1000Pa，h hvi vi=150Pa =150Pa，风筒外与，风筒外与i i 点同标高的点同标高的P P0i 0i=101332Pa =101332Pa，求：，求： (1) i(1) i点的绝对静压点的绝对静压P Pi i； (2) i(2) i点的相对全压点的相对全压

19、h hti ti； ； (3) i(3) i点的绝对全压点的绝对全压P Pti ti。 。 解：解：(1) P(1) Pi i=P=P0i 0i+h +hi i=101332.5-1000=100332Pa=101332.5-1000=100332Pa (2) | h (2) | hti ti | = | h | = | hi i | | h hvi vi 1000-150=850Pa1000-150=850Pa h hti ti 850 Pa 850 Pa (3) P (3) Pti ti=P =P0i 0i+h +hti ti=101332.5-850=100482Pa =101332.5

20、-850=100482Pa i i 能量压力能量压力 三、风流点压力的测定三、风流点压力的测定 、矿井主要压力测定仪器仪表、矿井主要压力测定仪器仪表 （）绝对压力测量：空盒气压计、精密气（）绝对压力测量：空盒气压计、精密气 压计、水银气压计等。压计、水银气压计等。 （1）测定绝对静压的仪器 水银气压计 使用时旋转调节手柄4使指针2的 针尖恰好和容器中水银面接触，从管 中水银面1所在位置读出大气压的整 数值，在旋转游尺调节手柄6可读出 10Pa以上的小数值。读数后还需按使 用说明书上所规定的项目进行校正。 它不便携带，只能用于地面固定点测 定大气压。一般固定在实验室、通风 机房或硐室的墙上，用来

21、观察大气压 或校正其他气压计。 普通空气盒气压计普通空气盒气压计 它以波纹真空膜盒为它以波纹真空膜盒为压力感受器压力感受器，空气压力发生变化时膜盒，空气压力发生变化时膜盒 收缩或膨胀，产生轴向变形，通过拉杆和传动机构使指针偏转，收缩或膨胀，产生轴向变形，通过拉杆和传动机构使指针偏转， 指出空气绝对静压值。度盘最小分度值为指出空气绝对静压值。度盘最小分度值为0.5mmHg。 这种气压计便于携带但是这种气压计便于携带但是精度低精度低，一般用来测量空气密度，一般用来测量空气密度， 很少用于阻力测定很少用于阻力测定，并且传感器有滞后现象，若两地压差为，并且传感器有滞后现象，若两地压差为20 40mmH

22、g，则需放约，则需放约20min。 能量压力能量压力 空盒气压计出厂时要附一个检定证，检 定证中给出了三种读数的订正值。 刻度订正值见课本表3-1； 温度订正：-0.03mmHg/； 补充订正：+0.6mmHg。 精密数字气压计 可用来测绝对静压，也可以测绝对静压 差，适用于井下通风阻力和压能测量。它 的感应元件大多也是波纹膜盒，但是比普 通空气盒多一套光学放大系统，使油压精 度提高到百分之几或千分之几mmHg。 数字式气压计具有体积小、重量轻、测量 参数多、数据准确、读数简便，使用寿命长 等特点，目前在实验室、煤矿井下测量大气 压力多用数字式气压计，使用时，只要按一 下“总清”键液晶屏就会显

23、示出当时的大气 压力。 （）压差及相对压力的测量仪器：恒温压差计、（）压差及相对压力的测量仪器：恒温压差计、 “”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。 测定绝对静压差的仪器：恒温压差计 恒温压差计将气室置大口保温瓶中，瓶中放冰 块。因此气室中不能盛水而用煤油。气室截面应 远大于U形管内截面，以减少因液柱升降、气室 内空气容积变化而压力变化的影响，通常两者之 比应在300400以上。煤油的比重和气室中空气 容积变化反映在仪器校正系数内。 压差及相对压力的压差及相对压力的 测量仪器：测量仪器：皮托管皮托管 尖端口尖端口a a与最与最 下端的直管相通，下端的直

24、管相通， 只测绝对全压，故只测绝对全压，故 称为称为全压孔；侧壁全压孔；侧壁 小孔小孔b b与下端的分叉与下端的分叉 管相通，只感受绝管相通，只感受绝 对静压，故称为对静压，故称为静静 压孔。压孔。 U形压差计形压差计 在矿井通风中测定较大的压差（几十到几千 Pa）时，常用U形水柱计；测量值较小或要求精 度较高时，则用倾斜压差计或补偿式微压计。 使用方法 将U形管内充入液体，使液面与0-0刻线对齐， 然后在U形管的两端口接上胶皮管，把胶皮管的 另两端接到皮托管上，放到测定地点，两测点压 力不相等时，U形管中液柱高度发生变化，出现 高低差 ，读出差值后换算成压差。 P=gh10 P=gLsin

25、10（倾斜U形压力计） （2）倾斜式单管压差计的使用操作）倾斜式单管压差计的使用操作 以YYT-200B型为例：最大测量值2000Pa（200mmH O）, 最小分刻度2Pa，误差不超过最大读数的1.0%。仪器的构造如下： 1底座；底座；2水准指示器；水准指示器；3弧形支架；弧形支架；4加液盖；加液盖；5零位调整旋钮；零位调整旋钮； 6三通阀门柄；三通阀门柄；7游标；游标；8倾斜测压管；倾斜测压管；9调平螺钉；调平螺钉；10大容器；大容器； 11多向阀门多向阀门 仪器的操作和使用方法如下：仪器的操作和使用方法如下： v（1）注入工作液。将零位调整旋钮）注入工作液。将零位调整旋钮5调整到中间位置

26、，测压调整到中间位置，测压 管固定在弧形支架的适当位置，旋开加液盖管固定在弧形支架的适当位置，旋开加液盖4，缓缓注入预，缓缓注入预 先配置好的密度为先配置好的密度为0.81 kg/m3的工作液，直到液面位于倾斜的工作液，直到液面位于倾斜 测压管的测压管的“0”刻度线附近，然后旋紧加液盖，再用胶皮管将刻度线附近，然后旋紧加液盖，再用胶皮管将 多向阀门多向阀门11中间的接头与倾斜测量管的上端连通。将三通阀中间的接头与倾斜测量管的上端连通。将三通阀 门柄门柄6拨在仪器的拨在仪器的“测压测压”位置，用嘴轻轻从位置，用嘴轻轻从“+”端吹气，端吹气， 使酒精液面沿测压管缓慢上升，察看液柱内有无气泡，如有使

27、酒精液面沿测压管缓慢上升，察看液柱内有无气泡，如有 气泡，应反复吹吸多次，直至气泡消除为止。气泡，应反复吹吸多次，直至气泡消除为止。 v（2）调零。首先调整仪器底座上的两个调平螺钉）调零。首先调整仪器底座上的两个调平螺钉9，观察水，观察水 准指示器内的气泡是否居中，使仪器处于水平。顺时针转动准指示器内的气泡是否居中，使仪器处于水平。顺时针转动 三通阀门柄三通阀门柄6到到“校正校正”位置，使大容器和倾斜测压管分别位置，使大容器和倾斜测压管分别 与与“+”接头和接头和“-”接头隔断，而与大气相通。旋动零位调整接头隔断，而与大气相通。旋动零位调整 旋钮旋钮5，使测压管的酒精液面对准，使测压管的酒精液

28、面对准“0”刻度线。刻度线。 v（3）测定。根据待测压差的大小，将倾斜测压管固定在弧）测定。根据待测压差的大小，将倾斜测压管固定在弧 形支架相应的位置上，用胶皮管将较大的压力接到仪器的形支架相应的位置上，用胶皮管将较大的压力接到仪器的 “+”接头，较小的压力接到仪器的接头，较小的压力接到仪器的“-”接头。逆时针转动三接头。逆时针转动三 通阀门柄通阀门柄6到到“测压测压”位置，读取测压管上酒精液面的读数位置，读取测压管上酒精液面的读数 和弧形支架的和弧形支架的K值，用式（值，用式（2-14）计算压差值或相对压力）计算压差值或相对压力。 （3）补偿式微压计使用 （以DJM9为例） 测压时，小容器收

29、到 较大的压力作用而液面下 降，瞄准尖头高出液面， 反射镜中的瞄准尖头正倒 影像重叠。这时转动微调 盘将大容器升高，知道瞄 准尖头正倒影像又恰好相 接，即小容器的液面又和 瞄准尖头处于同一水平。 大容器的垂直移动距离就 是两液面所受的压力差。 矿井通风多参数测定仪矿井通风多参数测定仪 27 、压力测定、压力测定 （）绝对压力直接测量读数（）绝对压力直接测量读数( (水银气压计、普通空盒水银气压计、普通空盒 气压计、精密数字气压计气压计、精密数字气压计) )。 （）相对全压（）相对全压( (以如图正压通风为例以如图正压通风为例) ) （注意连接方法）：（注意连接方法）： 相对静压相对静压 z z

30、 P P0 i 0 i h h 0 0 0 0 能量压力能量压力 同一断面上同一断面上 h hi i 相同。相同。 （）相对全压、动压、静压的测量（）相对全压、动压、静压的测量 测定连接如图（测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化说明连接方法及水柱高度变化） z z P P0 i 0 i h ht t h hi ih hv v 能量压力能量压力 作业作业 v测得风筒内某点测得风筒内某点i i相对压力如图所示，求动压，并判断相对压力如图所示，求动压，并判断 通风方式通风方式. . v + - + - z P0 i 100 150 hv 能量压力能量压力 任务任务2 2 矿井主要通风机房内静压水

31、柱计使用矿井主要通风机房内静压水柱计使用 煤矿安全规程煤矿安全规程规定：通风机的司机要规定：通风机的司机要 定时观测水柱计的读数，以掌握矿井的通风状定时观测水柱计的读数，以掌握矿井的通风状 态，为安全生产创造条件，人们称风机房的态，为安全生产创造条件，人们称风机房的 “水柱计水柱计”是矿井通风的是矿井通风的“寒暑表寒暑表”。 能量压力能量压力 一、矿井主通风机房静压水柱计安设 矿井通风总阻力可以通过测定断面的相 对压力和自然风压值计算出来。自然风压值 随季节变化，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。 压差计的安装方法取压方 法不同有两种

32、：壁面法和环 形管取压法。 1、壁面取压法 就是在风硐内壁上开静压 孔，用金属管和胶皮管把压 力传输到风硐外并连接到主 要通风机房内的压差计上。 为了减少误差，一般把各测 点用三通和胶皮管并联起来。 在壁面上开静压孔时，要求 孔径不大于10mm，孔口光 滑无毛刺，附近无凹凸现象， 空的中心线和壁面垂直。 2、环形管取压法 将一个外径为46mm的铜管做成圆形，在管 上等距离钻8个垂直一风流方向的小孔，孔径1 2mm，将圆形管固定在风硐断面四周上，再用一 根铜管与其相通并穿出硐室，用胶皮管连接到主 通风机房内的压差计上。 以上两种方法选择的取压断面都应靠近 主要通风机入风口的风流稳定处，测压仪 器

33、多采用U型水柱计。随着电子技术的发展 和矿井安全监控系统的应用，不少矿井已 经用电子压差计测量或用负压传感器数据 传送到计算机上，自动监测风硐内的风流 压力。 二、静压水柱计的使用 在采用抽出式通风的矿井，水柱计的读 数表示矿井所在地的大气压力与水柱计测 点处空气绝对静压差，即水柱计测点处空 气相对静压的绝对值，由于矿井内空气的 压力低于外界的大气压力，水柱计的读数 为负值，所以也称这种通风为负压通风。 人们经常将水柱计的读数近似地看成 是矿井通风阻力。 矿井通风线路越长，水柱计的负压值越大。 小型矿井如果水柱计的指示数值偏大，说明矿 井阻力大，主通风机运行不经济。 大型矿井如果水柱计读数偏小

34、，则说明严重漏 风，所以要提高通风设施的质量，减少漏风。 在正常条件下，如果发现水柱计的读数明显变 小，即预示矿井通风系统发生主要风流短路； 如果水柱计读数突然增大，则可能是巷道发生 冒顶或堆积物（矿车、材料）堵塞，减少了通风 巷道的有效断面。 遇到上述情况应及时向调度室汇报。 人们常把水柱计的读数看成是主通风 机的工作静压，当水柱计的读数在短时内 连续发生波动时，说明通风机工作不稳定， 通风机的风量、风压和电机功率也急剧波 动，并产生不正常的噪声、机体振动。所 有这些都应及时采取必要措施，进行妥善 处理。 任务任务3 3 矿井通风中的能量方程矿井通风中的能量方程 当空气在井巷中流动时，将会受

35、到通风阻力的作用，消耗其能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，就必须有通风动力对空气作功，量；为保证空气连续不断地流动，就必须有通风动力对空气作功， 使得通风阻力和通风动力相平衡。使得通风阻力和通风动力相平衡。 一、空气流动连续性方程一、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。空间。根据质量守恒定律根据质量守恒定律：对于稳定流，：对于稳定流，流入某空间的流体质量必流入某空间的流体质量必 然等于流出其的流体质量。然等于流出其的流体质量。 如图井巷中风流

36、从如图井巷中风流从1 1断面流向断面流向2 2 断面，作定常流动时，有：断面，作定常流动时，有： V V1 1 S S1 1 V V S S 、 、 2 2 1 1、2 2断面上空气的平均密度，断面上空气的平均密度，kg/mkg/m3 3 ； ； V V1 1, ,，V V2 21 1、2 2 断面上空气的平均流速，断面上空气的平均流速，m/sm/s； S S1 1、S S2 2 1 1、断面面积，、断面面积，m m2 2。 能量方程能量方程 若若 ， ， 则则 V V1 1 S S1 1 V V S S2 2 。 。 对于不可压缩流体（即密度是常数），通过任一断对于不可压缩流体（即密度是常数

37、），通过任一断 面的体积流量相等，即面的体积流量相等，即 Q=vQ=vi iS Si i ( (空气流动连续性方程，矿井空气近似的认空气流动连续性方程，矿井空气近似的认 为是不可压缩流体为是不可压缩流体) ) 能量方程能量方程 二、可压缩流体的能量方程二、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。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（一）、单位质量(1kg)(1kg)流量的能量方程流量的能量方程 在矿井通风中，在矿井通风中，风流的能

38、量风流的能量由由机械能机械能（静压能、动压能、位静压能、动压能、位 能能）和）和内能内能组成，常用组成，常用1kg1kg空气或空气或1m1m3 3空气所具有的能量表示。空气所具有的能量表示。 机械能：机械能：静压能、动压能和位能之和。静压能、动压能和位能之和。 内能：内能：风流内部所具有的风流内部所具有的分子内动能分子内动能与与分子位能分子位能之和。能量分析之和。能量分析 z1 z2 00 p1、v1、u1 p2、v2、u2 q LR qR 能量方程能量方程 任一断面风流总机械能：压能动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，任一断面风流总能量：压能动能

39、位能内能， 所以，对单位质量流体有：所以，对单位质量流体有： 11 2 1 1 1 u. 2 vP :11Zg 断面总能量 2 2 2 2 2 2 u. 2 vP :22Zg 断面总能量 能量方程能量方程 单位体积的气体的能量变为单位质量的能量时需要乘以单位体积的气体的能量变为单位质量的能量时需要乘以 则有则有 /1 假设：假设：1kg1kg空气由空气由1 1 断面流至断面流至2 2 断面的过程中：断面的过程中： L LR R（J/kgJ/kg）：克服流动阻力消耗的能量；）：克服流动阻力消耗的能量； q qR R（J/kgJ/kg）：）：L LR R 部分转化的热量部分转化的热量( (这部分被

40、消耗的能量这部分被消耗的能量 将转化成热能仍存在于空气中）将转化成热能仍存在于空气中）； q q（J/kgJ/kg）：外界传递给风流的热量（岩石、机电设备）：外界传递给风流的热量（岩石、机电设备 等）。等）。 根据能量守恒定律：根据能量守恒定律： 22 2 2 2 2 tR11 2 1 1 1 u. 2 vP LLu. 2 vP ZgqqZg R 根据热力学第一定律，传给空气的热量（根据热力学第一定律，传给空气的热量（q qR R+q+q），一部分用于增加空气的内），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：能，一部分使空气膨胀对外作功，即： 12R uu=qq 能量方程能量方

41、程 t m LZ PP 21 2 2 2 121 R Zg 2 v 2 v L （二）、单位体积（二）、单位体积(1m(1m3 3) )流量的能量方程流量的能量方程 我国矿井通风中习惯使用我国矿井通风中习惯使用单位体积（单位体积（1m1m3 3）流体的能量方程。在考虑空气的可流体的能量方程。在考虑空气的可 压缩性时，那么压缩性时，那么1m1m3 3 空气流动过程中的能量损失（ 空气流动过程中的能量损失（h hR R，J/mJ/m3 3（PaPa），即通风阻力），即通风阻力） 可由可由1kg1kg空气流动过程中的能量损失（空气流动过程中的能量损失（L LR R J/Kg J/Kg）乘以按流动过程

42、状态考虑计算的）乘以按流动过程状态考虑计算的 空气密度空气密度 m m，即，即：h hR R=L=LR R. . m m；则单位体积则单位体积(1m(1m3 3) )流量的能量方程的书写形式为流量的能量方程的书写形式为： 21m 2 2 2 1 21R Zg 2 v 2 v PPhZ m 几点说明：几点说明：1 1、1m1m3 3 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 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，能差，状态过程的影响反映在动能差和位能差中（用状态过程的影响反映在动能差和位能差中（用 m m 表示）表示）。 2 2、 m m g g （ （

43、Z Z1 1-Z-Z2 2）是是1 1、2 2 断面的位能差。当断面的位能差。当1 1、2 2 断面的标高差较大的情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 m 的计算，及基准面的选取。的计算，及基准面的选取。 3 3、 m m的测算原则的测算原则：将：将1 12 2 测段分为若干段，计算各测定断面的空气密测段分为若干段，计算各测定断面的空气密 度度( (测定测定 P P、t t 、)，求其几何平均值。，求其几何平均值。 基准面选取基准面选取：取测段之间的最低标高作为基准面

44、。：取测段之间的最低标高作为基准面。 能量方程能量方程 例如：如图所示的通风系统，如要求例如：如图所示的通风系统，如要求1 1、2 2断面的位能差，基准面可选断面的位能差，基准面可选 在在2 2的位置。其位能差为：的位置。其位能差为： 而要求而要求1 1、3 3两断面的位能差，其基准面应选两断面的位能差，其基准面应选 在在0-00-0位置。其位能差为：位置。其位能差为： 、 是是1 1、2 2两断面上的动能差两断面上的动能差 A 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：

45、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：其中： 、 、 2 2分别为分别为1 1、断面风流的平均气密度。、断面风流的平均气密度。 1 2 3 00 1 2 1212po12 gZgdZE m 1 3 30301010po13 gdZEgZgZ mm m 2 v 2 v 2 2 2 1 2 2 2 1 2 1 12 2 v 2 v vh 能量方程能量方程 B B、动能系数、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。：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：即： 因为能量方程式中的因为能量方程式中的v v1 1、v v2 2分别为分别为1 1

46、、2 2断面上的平均风速。由于井巷断断面上的平均风速。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。需用动能系数面实际总动能不等。需用动能系数K Kv v加以修正。加以修正。在矿井条件下，在矿井条件下，K Kv v一般一般 为为1.021.021.051.05。由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取。由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取K Kv v为为1 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

47、 似的写成：似的写成： 或或 J J m m3 3 2m21m12 2 2 1 2 1 21R gg 2 v 2 v PPhZZ S u u u 3 s 3 2 s 2 v v ds vS 2 v ds 2 K t2m21m12 2 2 1 2 1 21R H+gg 2 v 2 v PPhZZ 能量方程能量方程 22112 2 2 1 2 1 21R g 2 v 2 v PPhZZ 补充：国内最常用的公式：补充：国内最常用的公式： 能量方程能量方程 21m 2 2 2 1 21R Zg 2 v 2 v PPhZ m （三）、关于能量方程使用的几点说明（三）、关于能量方程使用的几点说明 1. 1

48、. 能量方程的意义是，表示能量方程的意义是，表示1kg1kg（或（或1m1m3 3）空气由）空气由1 1断面流向断面流向2 2 断面的过程中所消耗的能量（断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经通风阻力），等于流经1 1、2 2 断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。 2. 2. 风流流动必须是风流流动必须是稳定流稳定流，即断面上的参数不随时间的变化，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。而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。 3. 3. 风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量

49、小的地风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地 方。方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进在判断风流方向时，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，方程时，应先假设风流方向应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通，如果计算出的能量损失（通 风阻力）风阻力）为正为正，说明风流方向假设正确；如果，说明风流方向假设正确；如果为负为负，则风，则风 流方与假设相反。流方与假设相反。 4. 4. 正确选择求位能时的基准面。正确选择求位能时的基准面。 能量方程能量方程 5. 5. 在始

50、、末断面间有压源时，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，压压源的作用方向与风流的方向一致，压 源为正源为正，说明压源对风流做功，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负；如果两者方向相反，压源为负，则，则 压源成为通风阻力。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。应用能量方程时要注意各项单位的一致性。 7 7、对于流动过程中、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流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程 R133R1223 2 3 3333 2 2 2 22221 2 1 1111 hQhQ 2 v PZQ 2 v P

51、ZQ 2 v PZQ g gg m mm 3 1 2 能量方程能量方程 例例 1 1、 在某一通风井巷中，测得在某一通风井巷中，测得1 1、2 2两断面的绝对静压分别两断面的绝对静压分别 为为101324.7 Pa101324.7 Pa和和101858 Pa101858 Pa，若，若S S1 1=S=S2 2，两断面间的高差，两断面间的高差Z Z1 1- - Z Z2 2=100=100米，巷道中米，巷道中 m12 m12=1.2kg/m =1.2kg/m3 3，求：，求：1 1、2 2两断面间的通风两断面间的通风 阻力，并判断风流方向。阻力，并判断风流方向。 解：假设风流方向解：假设风流方向

52、1 12 2，列能量方程：，列能量方程： = =（101324.7101324.7101858101858）0 01001009.819.811.21.2 = 643.9 J/m = 643.9 J/m3 3。 由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，1 12 2。 m12212 2 2 1 2 1 21R12 g 2 v 2 v PPhZZ Z1-Z2 1 2 能量方程能量方程 已知一进风斜井进风口已知一进风斜井进风口1 1处得大气压处得大气压 P P01 01=101324Pa =101324Pa，1 12 2段空气的平均密度为段空气的平均密度为 m

53、12 m12=1.25kg/m =1.25kg/m3 3， Z Z1 1-Z-Z2 2=400m=400m，测得，测得h hR12 R12=45Pa =45Pa， h hv1 v1=h =hv2 v2，求 ，求2 2点的绝对静压点的绝对静压p p2 2 已知一通风系统，已知一通风系统，P P01 01= P = P04 04 = P = P05 05 =101324Pa=101324Pa，测得，测得4 4断面的相对静压为断面的相对静压为3000pa3000pa， 矿井风量为矿井风量为100m100ms，S1 1=20，S4 4=5。 1 12 2段空气的平均密度为段空气的平均密度为 m12 m

54、12=1.25kg/m =1.25kg/m3 3，3 34 4 段空气的平均密度为段空气的平均密度为 m34 m34=1.19kg/m =1.19kg/m3 3 ， ， Z Z1 1- - Z Z2 2=300m=300m，求矿井通风阻力，求矿井通风阻力 h hR14 R14 一、水平风道的通风能量（压力）坡度线一、水平风道的通风能量（压力）坡度线 （一）、（一）、 能量（压力）坡度线的作法能量（压力）坡度线的作法 能量（压力）坡度线的意义： v掌握能量（压力）沿程变化情况； v通风能量（压力）与通风阻力之间的相互关系以及相互转化； 有利于通风管理。 01 23 456789 10 扩散器扩散

55、器通风机通风机 、风流的边界条件、风流的边界条件 Pt=ht+P0=h+hv+p0 入口断面处：入口断面处： Ptin= P0，所以，所以，htin= 0，hin= - hvin； 出口断面处出口断面处 ： Pex= P0，所以，所以，hex= 0，htex= hvex； 矿井应用矿井应用 hv1 01 23 456789 10 P0 压力压力Pa 流程流程 扩散器扩散器 静压坡度线静压坡度线 全压坡度线全压坡度线 12345678910 、作图步骤、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。）、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

56、条件确定起始点位置。）、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的关系描绘在坐标）、将各测点的相对静压和相对全压与其流程的关系描绘在坐标 ）、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）、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。制的能量（压力）坡度线。 矿井应用矿井应用 10 0 1 23 4 56 789 P0 1234 56789100 10 相对静压的负值越大，其扩散器回收动能的效果越好相对静压的负值越大，其扩散器回收动能的效果越好。 矿井应用矿井应用 v（二）、能量（压力）坡度（二）、能量（压力）坡度

57、 线的分析线的分析 v 1、通风阻力与能量（压力）、通风阻力与能量（压力） 坡度线关系坡度线关系 v 任意两断面间的通风阻任意两断面间的通风阻 力就等于两断面的全压差：力就等于两断面的全压差： v tjti tjtivjvijij Ri hhPPhhPPh 2、能量（压力）坡度线直观明了地表达、能量（压力）坡度线直观明了地表达 了风流流动过程中的能量变化。了风流流动过程中的能量变化。 绝对绝对全压全压（相对全压）沿程是（相对全压）沿程是逐渐减小逐渐减小 的；的； 绝对绝对静压静压（相对静压）沿程分布是（相对静压）沿程分布是随动随动 压的大小变化而变化压的大小变化而变化。 3、扩散器回收动能（相

58、对静压为负值）、扩散器回收动能（相对静压为负值） hv hRd 合理合理 hv hRd 不合理不合理 （三）、通风机全压（三）、通风机全压（Ht） v 1、通风机全压的概念、通风机全压的概念 Ht = Pt6Pt5 v 2、通风机全压、通风机全压Ht与风道通风阻力、出口动能损失的关系与风道通风阻力、出口动能损失的关系 v hR610 = Pt6Pt10 v Pt6 = hR610Pt10， v hR05 = Pt0Pt5 v Pt5 = Pt0hR05， vHt = Pt6Pt5 = hR610Pt10（Pt0hR05） v =hR610P0hv10（P0hR05） v =hR610hv10h

59、R05 v Ht= hR010hv10 v Hs = hR010, v Ht= Hs hv10 （ Hs即为通风机的静压， hv10出口动压损失） 二、通风系统风流能量（压力）坡度线二、通风系统风流能量（压力）坡度线 ( (一一) ) 通风系统风流能量（压力）坡度线通风系统风流能量（压力）坡度线 绘制矿井通风系统的能量（压力）坡度线绘制矿井通风系统的能量（压力）坡度线( (一般用绝对一般用绝对 压力压力) )的的方法：方法：是沿风流流程布设若干测点，测出各点的绝是沿风流流程布设若干测点，测出各点的绝 对静压、风速、温度、湿度、标高等参数，计算出各点的对静压、风速、温度、湿度、标高等参数，计算出

60、各点的 动压、位能和总能量；然后在压力（纵坐标）动压、位能和总能量；然后在压力（纵坐标） 风流风流 流程（横坐标）坐标图上描出各测点，将同名参数点用折流程（横坐标）坐标图上描出各测点，将同名参数点用折 线连接起来，即是所要绘制的通风系统风流能量（压力）线连接起来，即是所要绘制的通风系统风流能量（压力） 坡度线。坡度线。 以下图所示简化通风系统为例，说明矿井通风系统中以下图所示简化通风系统为例，说明矿井通风系统中 有高度变化的风流路线上能量有高度变化的风流路线上能量( (压力压力) )坡度线的画法。坡度线的画法。 矿井应用矿井应用 作图步骤：作图步骤：1. 1. 确定基准面。一般地，以最低水平确