【采矿课件】第二章风流的能量与能量方程

【采矿课件】其次章风流的能量与能量方程【采矿课件】其次章风流的能量与能量方程【采矿课件】其次章风流的能量与能量方程其次章风流的能量与能量方程井下风流的流淌遵循能量守恒及转换定律。本章结合矿井风流流淌的特点，介绍了空气的主要物理参数，风流的能量与压力，压力测量方法及压力之间的关系，重点阐述了矿井通风中的能量方程及其应用。第一节空气的主要物理参数与矿井通风亲密相关的物理参数除了反映气候条件的温度、湿度以外，还有密度、比容、压力、粘性等。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ρ来表示。即：（2-1）式中ρ——空气的密度，kg/m3；M——空气的质量，m；V——空气的体积，m3。一般来说，空气的密度是随温度、湿度和压力的变化而变化的。在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 大气状况下（P＝101325Pa，t＝O℃，＝O%），干空气的密度为1.293kg/m3。湿空气密度的计算公式为：ρ湿）(2-2)式中P——空气的压力，Pa；T——热力学温度（T＝273+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。当压力和温度肯定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。在矿井通风中，由于通风系统内的空气温度、湿度、压力各有不同，空气的密度也有所变化，但变化范围有限。在争辩空气流淌规律时，要依据具体状况考虑是否忽视这种变化。一般将空气压力为101325Pa，温度为20℃kg/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υ（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）矿井通风中，习惯将压强称为空气的压力。由于空气分子的热运动，分子之间不断碰撞，同时气体分子也不断地和容器壁碰撞，形成了气体对容器壁的压力。气体作用在单位面积上的力称为空气的压力，用P表示。依据物理学的分子运动理论可导出抱负气体作用于容器壁的空气压力关系式为：P＝（2-4）式中n——单位体积内的空气分子数；——分子平移运动的平均动能。上式表明，空气的压力是单位体积空气分子不规章热运动产生的总动能的三分之二转化为对外做功的机械能。单位体积内的空气分子数越多，分子热运动的平均动能越大，空气压力越大。空气压力的单位为帕斯卡（Pa），简称帕，1Pa=1N/m2。压力较大时还有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=106Pa。有的压力仪器也用百帕（hPa）表示，1hPa=100Pa。其它旧的压力单位及换算见表2-1所示。表2-1压力单位换算表单位名称帕斯卡Pa巴bar公斤力/米2mmH2O公斤力/厘米2（工程大气压）at毫米汞柱mmHg标准大气压atmPammH2OmmHgatm110132510-5×10-5×10-31×10-41×10-4×10-33×10-3×10-21760×10-6×10-51.31579×10-31注：英制压力单位接受磅力/英寸2（1bf/in2），11bf/in2=6894.7Pa。1kPa=103Pa；1atm=101.325kPa；1at=98.0665kPa（千帕）；1bar(巴)=1000mbar（毫巴）地面空气压力习惯称为大气压。由于地球四周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、空气的粘性任何流体都有粘性。当流体以任一流速在管道中流淌时，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），以阻挡其相对运动，流体具有的这一性质，称为流体的粘性。依据牛顿内摩擦力定律，流体分层间的内摩擦力为：F=μS（2-5）式中F——内摩擦力，N；μ——动力粘性系数，Pa·s；S——流层之间的接触面积，m2；dv/dy——垂直于流淌方向上的速度梯度，s-1。由上式可以看出，当流体不流淌或分层间无相对运动时，dv/dy=0，则F=0。需要说明的是，不论流体是否流淌，流体具有粘性的性质是不变的。在矿井通风中，除了用动力粘性系数μ表示空气粘性大小外，还常用运动粘性系数ν（m2/s）来表示，与动力粘性系数的关系为：（2-6）式中ρ——空气的密度，kg/m3。流体的粘性随温度和压力的变化而变化。对空气而言，粘性系数随温度的上升而增大，压力对粘性系数的影响可以忽视。当温度为20℃，压力为0.1MPa时，空气的动力粘性系数μ×10-5Pa·s；运动粘性系数ν×10-5m2/s。其次节风流的能量与压力矿井通风系统中，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。风流之所以能够流淌，其根本缘由是系统中存在着能量差，所以风流的能量是风流流淌的动力。单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力。能量与压力即有区分又有联系，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淌状态，空气分子都在做无规章的热运动。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，不论是否流淌都会呈现静压；（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；（4）静压的大小反映了单位体积空气具有的静压能。3、空气压力的两种测算基准空气的压力依据所选用的测算基准不同可分为两种，即确定压力和相对压力。（1）确定压力：以真空为基准测算的压力称为确定压力，用P表示。由于以真空为零点，有空气的地方压力都大于零，所以确定压力总是正值。（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就是其确定压力P与当地当时同标高的地面大气压力P0的差值。即：h＝P－P0（2-7）当井巷空气的确定压力肯定时，相对压力随大气压力的变化而变化。在压入式通风矿井中，井下空气的确定压力都高于当地当时同标高的大气压力，相对压力是正值，称为正压通风；在抽出式通风矿井中，井下空气的确定压力都低于当地当时同标高的大气压力，相对压力是负值，又称为负压通风。由此可以看出，相对压力有正压和负压之分。在不同通风方式下，确定压力、相对压力和大气压力三者的关系见图2-1所示。图2-1确定压力、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淌时具有动能，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ρ（kg/m3），定向流淌的流速为v（m/s），则单位体积空气所具有的动能为E动：E动＝，J/m3（2-8）E动对外所呈现的动压为：h动＝，Pa（2-9）3、动压的特点（1）只有做定向流淌的空气才呈现出动压；（2）动压具有方向性，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流淌方向的平面承受的动压最大，平行流淌方向的平面承受的动压为零；（3）在同一流淌断面上，因各点风速不等，其动压各不相同；（4）动压无确定压力与相对压力之分，总是大于零。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、位压的计算式从地面上把质量为M（kg）的物体提高Z（m），就要对物体克服重力做功MgZ（J），物体因而获得了相同数量的位能，即：E位＝MgZ（2-10）在地球重力场中，物体离地心越远，即Z值越大，其位能越大。如图2-2所示的立井井筒中，假如求1—1断面相对于2—2断面的位压（或1—1断面与2—2断面的位压差），可取较低的2—2断面作为基准面（2—2断面的位压为零），按下式计算：＝ρ12gZ12，Pa（2-11）式中ρ12——1、2断面之间空气柱的平均密度，kg/m3；Z12——1、2断面之间的垂直高差，m。图2-2立井井筒中位压计算图矿井通风系统中，由于空气密度与标高的关系比较简单，往往不是线性关系，空气柱的平均密度ρ12很难确定，在实际测定时，应在1—1和2—2断面之间布置多个测点（如图布置了a、b两个测点），分别测出各点和各段的平均密度（垂距较小时可取算术平均值），再由下式计算1—1断面相对于2—2断面的位压。P位12＝ρ1agZ1a+ρabgZab+ρb2gZb2＝∑ρijgZij，Pa（2-12）测点布置的越多，测段垂距越小，计算的位压越精确。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，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争辩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。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。在流淌的空气中，只能通过测定高差和空气柱的平均密度用公式（2-12）计算。（3）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。（4）不论空气是否流淌，上断面相对于下断面的位压总是存在的。四、全压、势压和总压力矿井通风中，为了争辩便利，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淌的根本缘由，空气的流淌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。第三节空气压力测量及压力关系一、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：一是测量确定压力的气压计；二是测量相对压力的压差计和皮托管；三是可同时测定确定压力、相对压力的精密气压计或矿井通风综合参数检测仪等。（一）确定压力测量仪器最常用的是空盒气压计，其内部构造如图2-3所示。图2-3空盒气压计内部结构图1、2、3、4—传动机构；5—拉杆；6—波纹真空膜盒；7—指针；8—弹簧空盒气压计的感压元件是外表呈波纹形、内为真空的特殊合金金属膜盒。当压力增大或减小时，膜盒面相应地凹下、凸出，通过传动机构将这种微小位移放大后，驱动指针指示出当时测点的确定压力值。测压时，将仪器水平放置在测点处，轻小扣击仪器外壳，以消退传动机构的摩擦误差，放置3～5min待指针变化稳定后读数。读数时，视线与刻度盘平面要保持垂直，同时，还要依据每台仪器出厂时供应的校正表（或曲线），对读数进行刻度、温度及补偿校正。常用的DYM3型空盒气压计的测压范围为80000～108000Pa，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，一般需要用皮托管协作压差计来进行。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2-4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。图2-4皮托管使用时，将皮托管的前端中心孔正对风流，此时，中心孔接受的是风流的静压和动压（即全压），侧孔接受的是风流的静压。通过皮托管的“+”接头和“-”接头，分别将全压和静压传递到压差计上。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2-5所示。图2-5U形压差计a—垂直形b—倾斜形1—U形玻璃管；2—标尺U形垂直压差计由垂直放置的U形玻璃管和标尺组成，U形玻璃管中装入蒸馏水或酒精，当玻璃管两端分别接入不等的空气压力时，通过两端液面的高差，在标尺上读出两点之间的空气压力差。U形垂直压差计精度低，但量程大，适用于精度要求不高，压差较大的地方，如矿井主通风机房内测量风硐内外的压差。为了减小读数误差，可使用U形倾斜压差计，其测得的读数按下式计算压差：h＝ρgLsinα（2-13）式中h——两液面的垂直高差，即压差，Pa；ρ——玻璃管内液体的密度，kg/m3；L——两端液面倾斜长度差，mm；α——U形管倾斜的角度（可调整），对于U形垂直压差计α＝90º。3、单管倾斜压差计单管倾斜压差计的外部结构和工作原理如图2-6所示。它由一个大断面的容器10（面积为F1）和一个小断面的倾斜测压管8（面积为F2kg/m3的工作液。两断面之比（F1/F2）为250～300。仪器固定在装有两个调平螺钉9和水准指示器2的底座1上，弧形支架3可以依据测量范围的不同将倾斜测压管固定在5个不同的位置上，刻在支架上的数字即为校正系数。大容器通过胶管与仪器的“+”接头相通，倾斜测压管的上端通过胶皮管与仪器的“-”接头相连，当“+”接头的压力高于“-”接头的压力时，虽然大容器内液面下降甚微，但测压管端的液面上升格外明显，经过下式计算相对压力或压差h：h＝LKg，Pa（2-14）式中L——倾斜测压管的读数，mm；K——仪器的校正系数（又称常数因子），测压时倾斜测压管在弧形支架上的相应数字。图2-6YYT—200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。将零位调整旋钮5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4，缓缓注入预先配置好的密度为0.81kg/m3的工作液，直到液面位于倾斜测压管的“0”刻度线四周，然后旋紧加液盖，再用胶皮管将多向阀门11中间的接头与倾斜测量管的上端连通。将三通阀门柄6拨在仪器的“测压”位置，用嘴轻轻从“+”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，如有气泡，应反复吹吸多次，直至气泡消退为止。（2）调零。首先调整仪器底座上的两个调平螺钉9，观看水准指示器内的气泡是否居中，使仪器处于水平。顺时针转动三通阀门柄6到“校正”位置，使大容器和倾斜测压管分别与“+”接头和“-”接头隔断，而与大气相通。旋动零位调整旋钮5，使测压管的酒精液面对准“0”刻度线。（3）测定。依据待测压差的大小，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“+”接头，较小的压力接到仪器的“-”接头。逆时针转动三通阀门柄6到“测压”位置，读取测压管上酒精液面的读数和弧形支架的K值，用式（2-14）计算压差值或相对压力。常用的YYB—200B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。4、补偿式微压计补偿式微压计可以作精确的压差测量，其主要构造和原理如图2-7所示。它有充水的大小两个容器2和1，下部用胶皮管9连通。大容器与仪器的“-”接头相通，小容器与仪器的“+”接头相通。转动读数盘3，大容器可随之上下移动。当“+”“-”接头的压力相同时，两容器液面处于同一平面上，通过装在小容器上的反射镜6可以看到水准器7的尖端同它自己的像正好相接（如图2-7b所示）。当“+”接头压力大于“-”接头压力时，小容器液面下降，反射镜6内的尖端和影像相互接触重叠，通过转动读数盘3，使两液面再次恢复到同一水平面上，由大容器的垂直移动距离（从标尺11和读数盘3上读出）来确定大小容器所受到的压力差。图2-7DJM9型补偿式微压计1—小容器；2—大容器；3—读数盘；4—指针；5—螺盖；6—反射镜；7—水准器；8—调整螺母；9—胶皮管；10—调平螺钉；11—标尺仪器的操作和使用方法如下：（1）注入蒸馏水并调零。转动读数盘3，使读数盘及位移指针4均处于“0”点。打开螺盖5，注入蒸馏水，直到从反射镜中观看到水准器7的正、倒影像近似接触。盖紧螺盖，缓慢转动读数盘使大容器2上下移动数次，以排解胶皮管9内的气泡。用调平螺钉10将仪器调平，渐渐转动调整螺母8使小容器微微移动，水准器中的正、倒影尖恰好相接触。若两个影尖重叠，表明水量不足，应再加水；若两个影尖分别，表明水量过多，应排出部分水量。（2）测定。仪器调平、调零后，将被测压力较大的胶皮管接到仪器的“+”接头，压力较小的胶皮管接到仪器的“-”接头上。小容器1中的液面下降，从反射镜6中可观看到水准器的正、倒影像消逝或重叠，顺时针缓慢转动读数盘3，直到两个影像尖端再次恰好相接。指针4所指示的标尺整数与读数盘所指的小数之和，即为所测压力差值。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0～1500Pa，最小分度值为0.1Pa。这类仪器的精度高，可用于微小压差测量，但受压力波动影响大，水准针尖不宜调准，多用于试验室内。（三）矿井通风综合参数检测仪我国生产的JFY型矿井通风综合参数检测仪，是一种能同时测量空气的确定压力、相对压力、风速、温度、湿度和时间的精密便携式本质平安型仪器，适用于煤矿井下使用。其主要技术参数如表2-2所示。表2-2JFY型矿井通风综合参数检测仪技术参数表技术参数测量范围测量辨别率测量精度确定压力（Pa）80000～12000010±100压差（Pa）2923温度（℃）-30～+40±相对湿度（%）50～99±风速（m/s）0.6～150.6～4±(0.2＋2%风速值)4～15±(0.5＋2%风速值)时间月、日、时、分、秒该仪器由压力传感器、风速传感器、温度传感器、湿度传感器以及智能微机组成。其中的压力传感器接受高精度振动筒压力传感器，其结构如图2-8mm），是感受压力的敏感元件，与爱护筒1焊接在一起，共同构成真空腔，此腔是测压基准参考腔。激振元件2、拾振元件6与放大器构成测压振荡器，在常压下产生一个固有的振动频率f，当压力P变化时，振荡器的固有频率也发生变化，即压力P与频率f一一对应，并且单值连续。通过测量频率f（或周期T）即可测出外界的确定压力P。图2-8振动筒压力传感器1—爱护筒；2—激振元件；3—振动弹性体；4—温度传感器；5—真空腔；6—拾振元件；7—底座支架仪器的操作方法参见仪器面板布置图2-9。测量前先将电源开关打到“通”的位置，电源电压指示灯亮，若指示灯发暗，说明电源电压不足，应先充电。图2-9JFY型矿井通风参数检测仪面板图1—气孔；2—电源开关；3—电源电压指示灯；4—压力记忆开关；5—充电插座；6—确定压力键；7—压差键；8—温度键；9—相对湿度键；10—风速键；11—记风速键；12—读平均风速键；13—总清键；14—备用键；15—风速传感器；16—温度传感器；17—湿度传感器；18—液晶显示；19—单位显示；20—电子表（1）测量确定压力。仪器通电后，整机进入自检状态，显示传感器的周期数，按“总清”键，则显示测点的确定压力，单位为hPa。（2）测量相对压力。仪器通电后，只要按下“差压”键，并将记忆开关拨向“记忆”位置，则进入相对压力测定状态，此时，仪器将按键时测点的确定压力P0值记入内存中，并将此值作为后面的测压基准，当仪器发生位移或测点的确定压力变化后，面板上液晶窗口显示的总是压差值（⊿P=P-P0），单位为mmH2O。只要不断电和记忆开关处于“记忆”位置不变，后面的测压基准P0也不变。要想了解其它参数值，只要按下相应的键即可。（3）测量温度和相对湿度。仪器通电后，不论处于何种状态，只要按下“温度”键，就显示当时测点的温度值；按下“湿度”键，就显示当时测点的相对湿度值。因温度和湿度传感器都有滞后现象，因此，从前一测点转到另一测点时，应等待2～5min后再读数。（4）测量风速。可以测量点风速，也可以测量断面的平均风速。测量点风速时，只要把风速传感器上的箭头方向朝向风流，按下“风速”键读数即可，单位为m/s。要测断面的平均风速时，可利用机械风表测风时的定点法（如图1-10），先测1点风速，按下“风速”键，显示1点风速值。再按下“记风”键，显示该点风速后，又显示一下“1”，表示1点的风速已存入内存中；将传感器移到2点，按下“记风”键，显示2点的风速值后又显示一下“2”，表示2点的风速已存入内存；……，如此进行，直到将全部测点测完，最终再按“读风”键，读出该巷道断面的平均风速值。矿井通风综合参数检测仪广泛应用于矿井通风阻力测定、通风压能图测定等工作中。除此之外，常用的数字式气压计还有BJ—1型、WFQ—2型等，既能测确定压力又可测相对压力。二、风流点压力的测量及压力关系（一）风流点压力井巷风流断面上任一点的压力称为风流的点压力。相对于某基准面来说，点压力也有静压、动压和位压；就其形成的特征来说，点压力可分为静压、动压和全压；依据压力的两种测算基准，静压又分为确定静压（P静）和相对静压（h静）；全压也分为确定全压（P全）和相对全压（h全）；动压永久为正值，无确定、相对压力之分，用h动表示。需要说明的是，同一巷道或通风管道断面上，各点的点压力是不等的。在水平面上，各点的静压、位压都相同，动压则是中心处最大；在垂直面上，从上到下，静压渐渐增大，位压渐渐减小，动压也是中心处最大。因此，从断面上的总压力来看，一般中心处的点压力最大，周壁的点压力最小。（二）确定压力的测量及其相互关系1、确定静压P静的测定井巷风流中某点的确定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（2-9）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2-10所示。图2-10动压的测定3、确定全压的测定测出某点的确定静压P静和动压h动之后，用下式计算该点的确定全压P全：P全＝P静＋h动（2-15）上式（2-15）也是确定压力之间的关系式。即不论抽出式通风还是压入式通风，某一点的确定全压等于确定静压与动压的代数和。因动压为正值，所以确定全压大于确定静压。（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2-11a所示。左图为压入式通风，右图为抽出式通风。图2-11不同通风方式下风流中某点压力测量和压力之间的相互关系a—皮托管和压差计的布置方法b—风流中某点各种压力之间的关系1、压入式通风中相对压力的测量及相互关系如图2-11a左图所示，皮托管的“+”接头传递的是风流的确定全压P全，“-”接头传递的是风流的确定静压P静，风筒外的压力是大气压力P0。在压入式通风中，由于风流的确定压力都高于同标高的大气压力，所以P全＞P0、P静＞P0，P全＞P静。由图中压差计1、2、3的液面可以看出，确定压力高的一侧液面下降，确定压力低的一侧液面上升。压差计1测得的是风流中的相对静压：h静＝P静－P0压差计3测得的是风流中的相对全压：h全＝P全－P0压差计2测得的是风流中的动压：h动＝P全－P静整理得：h全＝P全－P0＝（P静＋h动）－P0＝（P静－P0）＋h动＝h静＋h动（2-16）式（2-16）说明：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如图2-11a右图所示。压差计4、5、6分别测定风流的相对静压、动压、相对全压。在抽出式通风中，由于风流的确定压力都低于同标高的大气压力，所以P全＜P0、P静＜P0，P全＞P静。由图中压差计4、6的液面可以看出，与大气压力P0相通的一侧水柱下降，另一侧水柱上升，压差计5中的液面变化与抽出式相同。由此可知测点风流的相对压力为：h静＝P0－P静或-h静＝P静－P0h全＝P0－P全或-h全＝P全－P0h动＝P全－P静整理得：h全＝P0－P全＝P0－（P静＋h动）＝（P0－P静）－h动＝h静－h动（2-17）式（2-17）说明：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。需要强调的是，式（2-17）中的h全和h静分别是确定全压和确定静压比同标高大气压力的降低值，而式（2-16）中的h全和h静则分别是确定全压和确定静压比同标高大气压力的增加值。公式中接受的都是其确定值。图2-11b清楚地表示出不同通风方式下，风流中某点各种压力之间的关系。例2-1在图2-11a所示的压入式通风风筒中，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P0＝98000Pa，求该点的P静、h全、P全分别是多少？解：（1）P静＝P0＋h静＝98000＋1200＝99200Pa（2）h全＝h静＋h动＝1200＋100＝1300Pa（3）P全＝P0＋h全＝98000＋1300＝99300Pa或P全＝P静＋h动＝99200＋100＝99300Pa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P0＝98000Pa，求该点的P静、h全、P全分别是多少？解：（1）P静＝P0－h静＝98000－1200＝96800Pa（2）h全＝h静－h动＝1200－100＝1100Pa（3）P全＝P0－h全＝98000－1100＝96900Pa或P全＝P静＋h动＝96800＋100＝96900Pa第四节矿井通风中的能量方程及其应用一、空气流淌连续性方程依据质量守恒定律，对于流淌参数不随时间变化的稳定流，流入某空间的流体质量必定等于流出其空间的流体质量。矿井通风中，空气在井巷中的流淌可以看作是稳定流，同样满足质量守恒定律。图2-12所示，风流从1断面流向2断面，在流淌过程中既无漏风又无补给，则流入1断面的空气质量M1与流出2断面的空气质量M2相等，即M1＝M2，kg/s或ρ1v1S1＝ρ2v2S2（2-18）式中ρ1、ρ2——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、2断面的断面积，m2。式（2-18）为空气流淌的连续性方程，适用于可压缩和不行压缩流体。图2-12风流在巷道中稳定流淌对于不行压缩流体，即ρ1＝ρ2，则有v1S1＝v2S2（2-19）上式说明，在流量肯定的条件下，井巷断面上风流的平均流速与过流断面的面积成反比，断面越大流速越小，断面越小流速越大。考虑到矿井风流可近似地认为是不行压缩流体，应用空气流淌的连续性方程，可以便利地解决风速、风量测算和风量平衡问题。例2-3风流在如图2-12所示的巷道中流淌，已知ρ1＝ρ2kg/m3，S1＝8m2，S2＝6m2，v1＝4m/s。求1、2两断面上通过的质量流量M1、M2；体积流量（风量）Q1、Q2；2断面的平均风速v2。解（1）M1＝M2＝ρ1v1S1＝×4×kg/s（2）Q1＝Q2＝v1S1＝4×8＝32m3/s（3）v2＝Q2/S2二、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淌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淌过程中的变化规律，是能量守恒和转化定律在矿井通风中的应用。依据机械能守恒定律，单位质量不行压缩的实际流体从1断面流向2断面的能量方程为：（2-20）式中P1/ρ、P2/ρ——单位质量流体在1、2断面所具有的静压能，J/kg；v12/2、v22/2——单位质量流体在1、2断面所具有的动能，J/kg；Z1g、Z2g——单位质量流体在1、2断面上相对于基准面所具有的位能，J/kg；H损——单位质量流体流经1、2断面之间克服阻力所损失的能量，J/kg上式表明，单位质量的实际流体从1断面流到2断面时，1断面所具有的总机械能（静压能、动能、位能之和）等于2断面所具有的总机械能与流体克服1、2断面之间阻力所损失的那部分能量之和。对于矿井通风中的风流，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。除了特殊状况（如矿井深度超过1000m）外，一般认为矿井风流近似于不行压缩的稳流状态，所以上述能量方程也可应用于矿井通风中。具体应用时，按习惯，常用单位体积的能量来代替方程中单位质量的能量，即将公式中的各项乘以ρ，得到如下单位体积实际流体的能量方程：（2-21）式中P1、P2——单位体积风流在1、2断面所具有的静压能或确定静压，J/m3或Pa；ρv12/2、ρv22/2——单位体积风流在1、2断面所具有的动能或动压，J/m3或Pa；Z1ρg、Z2ρg——单位体积风流在1、2断面上相对于基准面所具有的位能或位压，J/m3或Pa；h阻12——单位体积风流克服1、2断面之间的阻力所消耗的能量或压力，J/kg或Pa。考虑到井下空气密度到底有肯定的变化，为了能正确反映能量守恒定律，用风流在1、2断面的空气密度ρ1、ρ2代替上式动能中的ρ，用1、2断面与基准面之间的平均空气密度ρ1、ρ2代替上式位能中的ρ，得下式：（2-22）或，J/m3或Pa（2-23）或（Z1ρ1g－Z2ρ2g），J/m3或Pa（2-24）式（2-23）、（2-24）就是矿井通风中常用的能量方程。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）与其次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其次断面上的总压力之差。利用公式计算时，应特殊留意动压中ρ1、ρ2与位压中ρ1、ρ2的选取方法。动压中的ρ1、ρ2分别取1、2断面风流的空气密度，位压中的ρ1、ρ2视基准面的选取状况按下述方法计算：（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，可将位压的基准面选在较低的2断面，此时，2断面的位压为0（Z2＝0），1断面相对于基准面的高差为Z12，空气密度取其平均密度ρ12，如精度不高时可取ρ12＝（ρ1＋ρ2）/2（ρ1、ρ2为1、2两断面风流的空气密度）。（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，应将位压的基准面（0—0）选在最低水平，此时，1、2断面相对于基准面的高差分别为Z10、Z20，空气密度则分别为两侧断面距基准面的平均密度ρ10与ρ20，当高差不大或精度不高时，可取ρ10＝（ρ1＋ρ0）/2，ρ20＝（ρ2＋ρ0）/2。图2-13能量方程中位压基准面的确定及ρ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例2-4某倾斜巷道如图2-14所示，测得1、2两断面的确定静压分别为98200Pa和97700Pa；平均风速分别为4m/s和3m/skg/m3和1.12kg/m3；两断面的标高差为50m。求1、2两断面间的通风阻力并推断风流方向。图2-14倾斜巷道解取标高较低的1断面为位压基准面，并假设风流方向为1→2，依据能量方程：（Z1ρ1g－Z2ρ2g）×42×32/2）＋[0－50×(1.14＋1.12)/2×9.8]＝-54Pa由于求得的通风阻力为负值，说明1断面的总压力小于2断面的总压力，原假设风流方向不正确，风流方向应为2→1，通风阻力为54Pa。能量方程是矿井通风中的基本定律，通过实例分析可以得出以下规律：（1）不论在任何条件下，风流总是从总压力大的断面流向总压力小的断面；（2）在水平巷道中，由于位压差等于零，风流将由确定全压大的断面流向确定全压小的断面；（3）在等断面的水平巷道中，由于位压差、动压差均等于零，风流将从确定静压大的断面流向确定静压小的断面。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，特殊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亲密相关。本节结合通风工程中的实际应用，找出抽出式和压入式通风系统中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系，同时对通风系统中的能量（压力）坡度线进行争辩。（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图2-15为简化后的抽出式通风矿井示意图。风流自进风井口地面进入井下，沿立井1—2、井下巷道2—3、回风立井3—4到达主通风机风硐断面4。在风流流淌的整个线路中，所遇到的通风阻力包括进风井口的局部阻力（空气由地面大气突然收缩到井筒断面的阻力）与井筒、井下巷道的通风阻力之和。即：h阻＝h局1＋h阻14，Pa（2-25）图2-15抽出式通风矿井依据能量方程式，进风井口的局部阻力h局1就是地面大气与进风进口断面1之间的总压力差（两个断面高差近似为零，地面大气为静止状态）；井筒及巷道的通风阻力h阻14为进风井口断面1与主通风机风硐断面4的总压力差。即：h局1＝P0－（P静1＋h动1）h阻14＝（P静1＋h动1＋Zρ12g）－（P静4＋h动4＋Zρ34g）将两式代入式（2-25）并整理得：h阻＝（P0－P静4）－h动4＋（Zρ12g－Zρ34g）＝h静4－h动4＋（Zρ12g－Zρ34g）上式中h静4为4断面的相对静压，h动4为4断面的动压，（Zρ12g－Zρ34g）为矿井的自然风压，可用H自表示，当Zρ12g＞Zρ34g时，H自为正值，说明它挂念主通风机通风；当Zρ12g＜Zρ34g时，H自为负值，说明它阻碍主通风机通风（矿井的自然风压详见教材第四章）。故上式又可表示为：h阻＝h静4－h动4±H自＝h全4±H自，Pa（2-26）式（2-26）为抽出式通风矿井的通风总阻力测算式，反映了矿井的通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系。矿井通风中，按《 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 》要求，都要在主通风机房内安装水柱计，此仪器就是显示风硐断面相对压力的垂直U型压差计，一般是静压水柱计。例2-5某矿井接受抽出式通风如图2-15所示，测得风硐断面的风量Q＝50m3/s，风硐净断面积S4＝5m2，空气密度ρ43，风硐外与其同标高的大气压力P0＝101324.5Pa，主通风机房内静压水柱计的读数h静4＝2240Pa，矿井的自然风压H自＝120Pa，自然风压的方向挂念主通风机工作。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4＝P0－h静4Pah动4＝ρ4v42/2＝ρ4（Q/S）2/2＝1.14×（50/5）2/2＝57PaP全4＝P静4＋h动4Pah全4＝h静4－h动4＝2240－57＝2183Pah阻＝h静4－h动4±H自＝2240－57＋120＝2303Pa（二）压入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图2-16为简化后的压入式通风矿井示意图。一般包括吸风段1→2和压风段3→6，实际上属于又抽又压的混合式通风，空气被进风井口四周的主通风机吸入进入井下，自风硐3，沿进风井3—4、井下巷道4—5、回风井5—6排出地面。在风流流淌的整个线路中，所遇到的通风阻力包括吸风段和压风段之和。即：h阻＝h阻抽＋h阻压其中压风段的阻力包括井筒、井下巷道的阻力与出风井口的局部阻力（空气由井筒断面突然集中到地面大气的阻力）之和。即：h阻压＝h阻36＋h局6，Pa（2-27）图2-16压入式通风矿井依据能量方程式，h阻36、h局6可分别用下两式表示：h阻36＝（P静3＋h动3＋Zρ34g）－（P静6＋h动6＋Zρ56g）h局6＝（P静6＋h动6）－P0将两式代入式（2-27）并整理得：h阻压＝（P静3－P0）＋h动3＋（Zρ34g－Zρ56g）＝h静3＋h动3＋（Zρ34g－Zρ56g）上式中h静3为风硐3断面的相对静压，h动3为风硐3断面的动压，（Zρ34g－Zρ56g）为矿井的自然风压H自，同样H自也有正有负，公式可写成下式：h阻压＝h静3＋h动3±H自＝h全3±H自，Pa（2-28）考虑到吸风段的通风阻力（因标高差很小，吸风段的位压差可忽视不计），则：h阻＝（h静2－h动2）＋（h静3＋h动3±H自）＝h全2＋h全3±H自，Pa（2-29）上式为压入式通风矿井的通风总阻力测算式，也反映了压入式通风矿井通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系。（三）通风系统中风流能量（压力）坡线图通风系统中风流能量（压力）坡度线是对矿井通风能量方程的图形描述，可以清楚地表明矿井通风系统中各断面的静压、动压、位压和通风阻力之间的相互转化关系，从而加深对能量方程的理解，是矿井通风管理和均压防灭火工作的有力工具。矿井通风系统中风流能量（压力）坡度图的绘制方法是：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 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 布置若干测点，测出各测点的确定静压、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）；然后以能量（确定压力）为纵坐标，风流流程为横坐标，分别描出各测点，将同名参数点用折线连接起来，即是所要绘制的通风系统中风流能量（压力）坡线图。具体包括三条坡度线：风流全能量（总压力）坡度线；风流全压坡度线；风流静压坡度线。图2-17是对应图2-15抽出式通风矿井中的风流能量（压力）坡线图。由图中可以看出：（1）全能量（总压力）坡度线a—b—c—d沿程渐渐下降，矿井的通风总阻力就等于风硐断面4上全能量（总压力）的下降值。任意两断面间的通风阻力等于这两个断面全能量（总压力）下降值的差；全能量（总压力）线的坡度反映了流淌路线上通风阻力的分布状况，坡度越大，说明单位长度上的通风阻力越大。（2）确定全压和确定静压坡度线的变化与全能量（总压力）坡度线的变化不同。全能量坡度线全程渐渐下降，而确定全压坡度线a1—b1—c1—d1和确定静压坡度线a2—b2—c2—d2有上升也有下降。如进风井1→2段，风流由上向下流淌，位压渐渐减小，静压渐渐增大，所以其确定静压和确定全压坡度线渐渐上升；在回风井3→4段，风流由下向上流淌，位压渐渐增大，静压渐渐减小，所以其确定静压和确定全压坡度线渐渐下降。这也充分说明，风流在有高差变化的井巷中流淌时，其静压和位压之间可以相互转化。（3）矿井通风的总阻力包括进风井口的局部阻力与井巷通风阻力之和，即h阻＝h局1＋h阻12＋h阻23＋h阻34＝h局1＋h阻14。图2-17抽出式通风矿井中风流能量（压力）坡线图同理可以做出图2-16所示的压入式通风矿井（压风段）的风流能量（压力）坡线图2-18。其坡度变化基本同抽出式，不同的是井下各测点的确定压力都高于同标高的大气压力，故压力坡线都位于P0—P0线的上方。此外，局部阻力则产生在回风井口6。图2-18压入式通风矿井中风流能量（压力）坡线图（四）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，无论是抽出式还是压入式矿井，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。此外，利用压差计的读数还能反映主通风机工作风压的大小，其关系详见第四章。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1、壁面取压法所谓壁面取压就是在风硐的内壁上开静压孔，如图2-19a所示，用金属管2和胶皮管4把压力传输到风硐外并连接到主通风机房内的压差计上。为了削减误差，一般把各测点用三通3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，四周无凹凸现象，孔的中心线与壁面垂直。2、环形管取压法如图2-19b所示，将一个外径为4～6mm的铜管5做成圆形，在管上等距离钻8个垂直于风流方向的小眼，眼径1～2mm，将圆形铜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壁，用胶皮管4连接到主通风机房内的压差计上。两种方法选择的取压断面都应靠近主通风机入风口（抽出式通风时）的风流稳定处，测压仪器多接受U型水柱计。随着电子技术的进展和矿井平安监控系统的应用，不少矿井已经接受电子压差计测量或用负压传感器将数据传送到计算机上，自动监测风硐内的风流压力。水柱计的两个液面一般是稳定的或有微小的波动。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；假如液面高差突然变小，可能是把握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。此外，假如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，是通风管理中不行缺少的监测手段。复习思考题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？粘性对空气流淌起什么作用？2-4何谓空气的静压、动压、位压？各有何特点？2-5什么叫确定压力？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行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淌时，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？2-13通风系统中风流压力坡线图有何作用？如何绘制？如何从图上了解某段通风阻力的大小？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行缺少的监测手段？ 习题 有理数乘除混合运算习题护理管理学习题以及答案高等数学极限习题过敏性休克习题与答案诫子书习题及答案 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800Pa，风门门扇的尺寸高为1.5m，宽为0.8m，门扇把手距门轴0.7m，问至少用多大的力才能把门扇拉开？（548.6N）2-2测得某回风巷的温度为20℃kg/m3m3/kg）2-3用皮托管和压差计测得通风管道内某点的相对静压h静＝250Pa，相对全压h全＝200Pa。已知管道内的空气密度ρ＝3，试推断管道内的通风方式并求出该点的风速。（抽出式；9.1m/s）2-4在压入式通风管道中，测得某点的相对静压h静＝550Pa，动压h动＝100Pa，管道外同标高的确定压力P0＝98200Pa。求该点的相对全压和确定全压。（650Pa；98850Pa）2-5两个不同的管道通风系统如题图2-1a、b所示，试推断它们的通风方式，区分各压差计的压力种类并填涂液面高差和读数。（a：抽出式；b：压入式）题图2-1通风管道中相对压力的测定2-6已知某一进风立井井口断面的大气压P静1＝99800Pa，井深Z＝500m，井筒内空气的平均密度ρ3，井筒的通风阻力为h阻=85Pa，问立井井底的确定静压P静2有多大？（105497Pa）2-7如题图2-2所示断面不等的水平通风巷道中，测得1断面的确定静压P静1＝96170Pa，断面积S1＝4m2，2断面的确定静压P静2＝96200Pa，断面积S2＝8m2，通过的风量Q＝40m3/s，空气密度ρ1＝ρ23，试推断巷道风流方向并求其通风阻力h阻。若巷道断面都是4m2，其它测定参数不变，结果又如何？（方向1→2，43.5Pa；方向2→1，30Pa）题图2-2断面不等的水平通风巷道2-8如图2-15所示的抽出式通风矿井中，已知矿井的通风总阻力为1840Pa，自然风压80Pa（反对通风机工作）；风硐的断面积为4m2，通过的总回风量为50m33。问主通风机房内静压水柱计的读数为多大？（2014Pa）2-9如图2-16所示的压入式通风矿井中，已知主通风机吸风段2断面与风硐3断面的静压水柱计读数分别为h静2＝162Pa，h静3＝1468Pa；测得两断面的动压分别为h动2＝110Pa，h动3＝88Pa；地面大气压力P0＝101324Pa，自然风压H自＝100Pa，自然风压的作用方向与主通风机风流方向相同。试求2、3断面的确定静压、确定全压、相对全压和矿井的通风阻力各为多大？（P静2＝101162Pa，P静3＝102792Pa；P全2＝101272Pa，P全3＝102880Pa；h全2＝52Pa，h全3＝1556Pa；h阻＝1708Pa）