風(fēng)流能量方程及其在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用解析課件

1、補(bǔ)充知識(shí)：空氣流動(dòng)連續(xù)性方程 在礦井巷道中流動(dòng)的風(fēng)流是連續(xù)不斷的介質(zhì)，充滿它所流經(jīng)的空間。在無(wú)點(diǎn)源或點(diǎn)匯存在時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對(duì)于穩(wěn)定流，流入某空間的流體質(zhì)量必然等于流出其的流體質(zhì)量。 如圖井巷中風(fēng)流從1斷面流向2 斷面，作定常流動(dòng)時(shí)，有： V1 S1 V S 、2 1、2斷面上空氣的平均密度，kg/m3 ； V1,，V21、2 斷面上空氣的平均流速，m/s；S1、S2 1、斷面面積，m2。 第1頁(yè)，共50頁(yè)。兩種特例：（I） 若 S1S2 ， 則 V1 V ；（II） 若 ， 則 V1 S1 V S 。對(duì)于不可壓縮流體，通過(guò)任一斷面的體積流量相等，即Q=viSi第2頁(yè)，共50頁(yè)。 第三章

2、 礦井通風(fēng)中的能量方程 當(dāng)空氣在井巷中流動(dòng)時(shí)，將會(huì)受到通風(fēng)阻力的作用，消耗其能量；為保證空氣連續(xù)不斷地流動(dòng)，就必需有通風(fēng)動(dòng)力對(duì)空氣作功，使得通風(fēng)阻力和通風(fēng)動(dòng)力相平衡。3.1 礦井風(fēng)流能量3. 2能量方程3. 3能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用第3頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量礦井空氣沿井巷流動(dòng)，流動(dòng)的風(fēng)流任意斷面上都有壓能、位能、和動(dòng)能。這三種能量可分別用相應(yīng)的靜壓、位壓和動(dòng)壓（速壓）來(lái)體現(xiàn)。1.壓能及其計(jì)算定義：?jiǎn)挝蝗莘e風(fēng)流的壓能就是空氣的絕對(duì)靜壓，它是以真空狀態(tài)絕對(duì)零壓為比較狀態(tài)的靜壓，即以零壓力為起點(diǎn)表示的靜壓。絕對(duì)靜壓恒為正數(shù)。計(jì)算： A 壓入式通風(fēng)：巷道任一測(cè)點(diǎn)的相對(duì)靜壓均為正值，故常

3、把壓人式通風(fēng)稱為正壓通風(fēng)。 B抽出式通風(fēng)：巷道風(fēng)流在任意一測(cè)點(diǎn)的相對(duì)靜壓均為負(fù)值，故常把抽出式通風(fēng)稱為負(fù)壓通風(fēng)。第4頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量第5頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量第6頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量2.位能及其計(jì)算定義：風(fēng)流受地球引力的作用，任一斷面上單位體積風(fēng)流對(duì)某一設(shè)定基準(zhǔn)面產(chǎn)生的重力位能，稱為風(fēng)流的位能，有時(shí)也叫做位壓。計(jì)算：如圖3-3所示，斷面1處單位體積風(fēng)流對(duì)A-A基準(zhǔn)面的位能是: 式中：Z1 斷面1與基準(zhǔn)面垂直距離，m； 斷面1處的空氣密度，kg/m； 斷面1處的空氣重率，N/m。第7頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量第8頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能

4、量圖3-3中1-2段風(fēng)流的位壓差為:第9頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量3.動(dòng)能及其計(jì)算定義：當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)，空氣除了具有壓能和位能外，還有空氣定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，它轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)的壓力稱為動(dòng)壓，又稱速壓。計(jì)算：設(shè)某點(diǎn)斷面處空氣的密度為 (kg/m3)，其定向流動(dòng)的風(fēng)速為v(m/s)，則1m空氣所具有的動(dòng)能Ev為:第10頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量4.全壓能定義：全壓能通常叫全壓，巷道內(nèi)單位體積的流動(dòng)空氣，在流動(dòng)方向上任意一測(cè)點(diǎn)，所產(chǎn)生的靜壓和速壓之和就稱為該測(cè)點(diǎn)的全壓能。計(jì)算：巷道風(fēng)流中某一斷面上單位體積空氣所具有的總機(jī)械能(全能)為壓能、位能、動(dòng)能三者之和。就其呈現(xiàn)的壓力來(lái)說(shuō)，靜壓是反映某一斷

5、面空氣分子熱運(yùn)動(dòng)的部分動(dòng)能，動(dòng)壓是反映空氣定向流動(dòng)的動(dòng)能，而某一斷面上空氣的位能在該點(diǎn)并不呈現(xiàn)壓力。因此，任一斷面的靜壓在任何方向上表現(xiàn)相同的數(shù)值，即各向同值，而動(dòng)壓卻只在垂直于其流動(dòng)方向的面積上呈現(xiàn)其正確值，即動(dòng)壓是有方向性的矢量。第11頁(yè)，共50頁(yè)。3.1 礦井風(fēng)流能量當(dāng)靜壓用絕對(duì)壓力Ps表示時(shí)，疊加后風(fēng)流的壓力為絕對(duì)全壓Pt，即風(fēng)流中任一點(diǎn)的絕對(duì)靜壓ps與相應(yīng)的動(dòng)壓pv之和等于該點(diǎn)的絕對(duì)全壓pt。如果靜壓用相對(duì)靜壓Hs表示時(shí)，疊加后風(fēng)流的壓力就是相對(duì)全壓Ht，相對(duì)全壓Ht等于相對(duì)靜壓HS與動(dòng)壓pv的代數(shù)和。第12頁(yè)，共50頁(yè)。3.2能量方程1 .單位質(zhì)量流體的能量方程礦井內(nèi)風(fēng)流沿井巷流動(dòng)

6、中，不僅因克服阻力而損失能量，同時(shí)還不斷與外界環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜的熱交換，所以風(fēng)流與外界除有能量傳遞外還有熱量交換。能量的變化遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。第13頁(yè)，共50頁(yè)。3.2能量方程如圖3-4所示，在流體流經(jīng)的斷面1和斷面2的參數(shù)分別為：絕對(duì)靜壓p1和p2、流速v1和v2、斷面中心距基準(zhǔn)面的高度Z1和Z2。根據(jù)能量守恒、熱力學(xué)定律及礦井內(nèi)空氣變化的過(guò)程等知識(shí)，設(shè)此過(guò)程中克服風(fēng)流流動(dòng)阻力耗能為Hr（J/kg）,可得公式（3-6）。此式表示單位質(zhì)量可壓縮空氣由斷面1流到斷面2時(shí)的能量損失。第14頁(yè)，共50頁(yè)。3.2能量方程事實(shí)上，礦井空氣在井下流動(dòng)過(guò)程中，由于進(jìn)風(fēng)井空氣受壓縮、回風(fēng)井空氣膨

7、脹，井巷中的空氣從巷道壁吸熱，整個(gè)礦井通風(fēng)網(wǎng)路的空氣狀態(tài)變化屬于多變過(guò)程，礦井內(nèi)空氣的容積和密度是變化的，氣體是可壓縮的。造成這種變化的原因主要有：一是空氣流經(jīng)水平井巷時(shí)，由于空氣柱的重力作用，使得風(fēng)流的密度和壓力增大，使得空氣密度增大；二是由于礦井采用機(jī)械抽出或壓人式通風(fēng)，主扇風(fēng)機(jī)形成的壓差作用于礦井的空氣，使得礦井空氣在通風(fēng)網(wǎng)路中空氣的壓力、密度發(fā)生變化；三是由于風(fēng)流流經(jīng)井巷斷面、地點(diǎn)的變化，使得風(fēng)流的風(fēng)速、溫度發(fā)生變化，空氣的密度亦發(fā)生變化。第15頁(yè)，共50頁(yè)。3.2能量方程礦井空氣視為不可壓縮，其變化過(guò)程視為等容過(guò)程，即空氣的密度、重率是常數(shù)。式(3 -7)表明，流體的壓能、位能和動(dòng)能

8、三種能量的變化值之和用來(lái)滿足因克服阻力而消耗的機(jī)械功。第16頁(yè)，共50頁(yè)。3.2能量方程2.單位體積流體的能量方程在礦井通風(fēng)的實(shí)際應(yīng)用中，通常以體積流量作為風(fēng)流的流量單位，用風(fēng)流的密度 乘式（3-7），并令 ，便得到單位體積氣體的能量方程：第17頁(yè)，共50頁(yè)。3.2能量方程方程式(3-8)表明：風(fēng)流在起末兩斷面間的壓能差、動(dòng)能差和位能差之和，等于風(fēng)流在起末斷面間為克服通風(fēng)阻力而損失的能量?；蛘哒f(shuō)，這項(xiàng)能量損失就是風(fēng)流在起末兩斷面上的總能量之差，這項(xiàng)總能量之差叫做通風(fēng)壓力。風(fēng)流沿井巷的流動(dòng)過(guò)程，實(shí)質(zhì)就是通風(fēng)壓力與通風(fēng)阻力之間相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。所以，通風(fēng)壓力和通風(fēng)阻力同時(shí)產(chǎn)生，互相依存，大小相等，方

9、向相反。為了克服通風(fēng)阻力，必須滿足相應(yīng)的通風(fēng)壓力，風(fēng)流從總能量大的斷面流向總能量小的斷面。第18頁(yè)，共50頁(yè)。3.3能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用1 斷面相同的水平巷道 2 斷面不同的水平巷道 3 斷面相同的垂直或傾斜巷道 4 斷面變化的垂直或傾斜巷道 第19頁(yè)，共50頁(yè)。1 斷面相同的水平巷道 因?yàn)?v1=v2，Z1=Z2，且溫差不大，即（動(dòng)壓項(xiàng)，位壓項(xiàng)為零），所以，由式（3-8），得 h12=P1P2上式表明，斷面相同的水平巷道。兩斷面間的靜壓差即該段巷道的通風(fēng)阻力。 1122第20頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29212 斷面不同的水平巷道因?yàn)?Z1=Z2 則m1=m2 , 由（3-8）式，得

10、 1 測(cè)出靜壓P1，P2 ,測(cè)出風(fēng)速v1，v2 ,計(jì)算動(dòng)壓; 2 測(cè)出靜壓差和動(dòng)壓差（比托管，壓差計(jì)）.11 2 2第21頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29223 斷面相同的垂直或傾斜巷道 因?yàn)?v1=v2 ，則各斷面上的空氣密度也近似相同，即（則動(dòng)壓項(xiàng)為零），則由（4.1）式 上式表明，在斷面相同的垂直或 傾斜巷道中，兩斷面間的靜壓差與 位壓差之和，等于井巷的通風(fēng)阻力。 1 精密氣壓計(jì)得P1，P2 ， 丈 量Z1，Z2 ，計(jì)算m ； 2 用比托管和壓差計(jì)，直接測(cè) 出 p ,即為h12。 21 12Z2Z100第22頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29234 斷面變化的垂直或傾斜巷道 用比托管和壓差

11、計(jì)測(cè)定時(shí)（靜壓端），得到兩斷面的靜壓差和位壓差；再測(cè)出兩斷面的動(dòng)壓差，則可求得兩斷面間的通風(fēng)阻力。 1 12 2第23頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/2924解： =101324.72-101724.69+1.2222 -1.21.6722+1.29.8150=189.36(Pa)（2）如圖,某傾斜巷道面積S1=5m2, S2=6m2, 兩斷面垂直高差50m,通過(guò)風(fēng)量600m3/min,巷道內(nèi)空氣平均密度為1.2kg/m3,1、2兩斷面處的絕對(duì)靜壓分別為760 mmHg與763 mmHg (1mmHg=133.322Pa)。求該段巷道的通風(fēng)阻力。 第24頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/2925解： =

12、101324.72-101724.69+1.2222 -1.21.6722+1.29.8150=189.36(Pa)p1=760133.322=101324.72(Pa)p2=763133.322=101724.69(Pa)v1=Q/60/S1 =600/60/5 =2（m/s）v2=Q/60/S2 =600/60/6 =5/3=1.67(m/s)風(fēng)流方向12。 第25頁(yè)，共50頁(yè)。本次課內(nèi)容結(jié)束！請(qǐng)大家復(fù)習(xí)本次課內(nèi)容，并預(yù)習(xí)能量方程應(yīng)用第二部分內(nèi)容！謝謝！第26頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29272022/7/29273.3.2 能量方程式在分析通風(fēng)動(dòng)力與阻力關(guān)系時(shí)的應(yīng)用 1 有扇風(fēng)機(jī)工作時(shí)

13、的能量方程式 2 通風(fēng)動(dòng)力與阻力之間的關(guān)系 第27頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/2928281 有扇風(fēng)機(jī)工作時(shí)的能量方程式（1）11222211 在所研究的12斷面間有扇風(fēng)機(jī)工作，則斷面1的全能量加上扇風(fēng)機(jī)的全壓，應(yīng)等于斷面2的全能量加1，2斷面間的通風(fēng)阻力，則單位體積流體的能量方程式為： 第28頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29292022/7/29291 有扇風(fēng)機(jī)工作時(shí)的能量方程式（2） 若為了專門(mén)研究扇風(fēng)機(jī)的工作狀況，可在貼近扇風(fēng)機(jī)的入口及出口處取兩斷面1，2， 并考慮：兩斷面間的通風(fēng)阻力忽略； Z1 gm1 =Z2 gm2 ，則由能量方程式可得：上式表明，扇風(fēng)機(jī)的全壓等于扇風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與入風(fēng)

14、口之間靜壓差與動(dòng)壓差之和。 第29頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/2930302 通風(fēng)動(dòng)力與阻力之間的關(guān)系 A 壓入式通風(fēng) B 抽出式通風(fēng) C 扇風(fēng)機(jī)安裝在井下 D 總結(jié)第30頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/293131壓 入 式 通 風(fēng)（1） 列出12斷面的能量方程式，（3-15） P1Pa 為扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造 成的相對(duì)靜壓，用Hs表示； Z1 gm1- Z2 gm2 為1，2兩斷面 間的位能差，它相當(dāng)于因入、排 風(fēng)井兩側(cè)空氣柱重量不同而形成 的自然風(fēng)壓，以Hn表示。 z1 2 21 100z221第31頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29322022/7/2932壓 入 式 通 風(fēng)（2） 由（3-1

15、5）式可得（3-16）式： 上式說(shuō)明，壓入式通風(fēng)時(shí)，扇風(fēng)機(jī)的靜壓與動(dòng)壓之和與自然風(fēng)壓共同作用，克服礦井阻力，并在出風(fēng)井口造成動(dòng)壓損失。 為了使通風(fēng)阻力與扇風(fēng)機(jī)的全壓聯(lián)系起來(lái)，再列出10斷面的能量方程，h100，P0pa（大氣壓），V00。第32頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29332022/7/2933壓 入 式 通 風(fēng)（3） 斷面1- 0間的能量方程式： 即或 ，代入（3-16） 式，得上式表明，扇風(fēng)機(jī)的全壓與自然風(fēng)壓共同作用，克服了礦井阻力，并在出風(fēng)口造成動(dòng)壓損失。 第33頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/293434壓入式通風(fēng)的壓力分布圖 由壓入式通風(fēng)壓力分布圖中可看出如下特點(diǎn)： 1 全巷道風(fēng)流

16、處于正壓狀態(tài)； 2 扇風(fēng)機(jī)的全壓Hf就等于扇風(fēng) 機(jī)風(fēng)硐中風(fēng)流的全壓Ht ，即Pah12 Hv2Hv1HsHf 1 1 0 0Pa第34頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29352022/7/2935抽 出 式 通 風(fēng)（1）312321z2z112列出斷面12間的能量方程式，P1=Pa，V10,得（3-20）或式（3-21）上式表明，抽出式通風(fēng)時(shí)，扇 風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐內(nèi)所造成的靜壓與 自然風(fēng)壓共同作用，克服礦井 通風(fēng)阻力，并在風(fēng)硐中造成動(dòng) 能損失 。第35頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29362022/7/2936抽 出 式 通 風(fēng)（2）同理，建立扇風(fēng)機(jī)入口及出口，2-3 斷面的能量方程式，以分析扇風(fēng)機(jī)的全壓

17、與通風(fēng)阻力的關(guān)系。忽略h23，并令 則有 即（3-23）式 第36頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29372022/7/2937抽 出 式 通 風(fēng)（3） 將式（3-23）與式（3-21）合并，得到式（3-24） 上式說(shuō)明，抽出式扇風(fēng)機(jī)的全壓與自然風(fēng)壓共同作用，克服礦井通風(fēng)阻力，并在扇風(fēng)機(jī)擴(kuò)散塔出口造成動(dòng)壓損失。 在不考慮自然風(fēng)壓時(shí)，扇風(fēng)機(jī)全壓中用于克服礦井通風(fēng)阻力的那部分壓力，稱為扇風(fēng)機(jī)的有效壓力，以Hs表示。第37頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29382022/7/2938抽 出 式 通 風(fēng)（4）由式（3-21）和（3-24）分別得到： 上兩式表明，抽出式通風(fēng)時(shí)，扇風(fēng)機(jī)的有效壓力等于扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中

18、所造成的靜壓和風(fēng)硐中風(fēng)流動(dòng)壓之差，或者等于扇風(fēng)機(jī)的全壓與擴(kuò)散塔出口動(dòng)壓之差。 第38頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29392022/7/2939抽出式通風(fēng)的壓力分布圖特點(diǎn)： 1 全巷道均為負(fù)壓（動(dòng)壓為正）； 2 風(fēng)流全壓的絕對(duì)值靜壓的絕對(duì)值風(fēng)流動(dòng)壓，Hv2 ； 3 Hf不等于風(fēng)流的全壓Ht，而是Ht出口的動(dòng)壓, Hv3 。 4 風(fēng)流的全壓Ht 礦井通風(fēng)阻力h12。Pah12Hv2HsHfHv3Pa第39頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29402022/7/2940扇風(fēng)機(jī)安裝在井下（1） 先列出斷面12的能量方程式。因?yàn)閆1 gm1 =Z2 gm2, h120，則有 即式 上式說(shuō)明，扇風(fēng)機(jī)安裝在井，

19、下時(shí),扇風(fēng)機(jī)的全壓等于扇風(fēng)機(jī)的靜 壓差與進(jìn)、出口動(dòng)壓差之和。 3 1 122 3 4 3 3 4 4第40頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29412022/7/2941扇風(fēng)機(jī)安裝在井下（2） 為考慮通風(fēng)阻力與扇風(fēng)機(jī)的全壓之關(guān)系，分別列出31，和24的能量方程式由于V30（入風(fēng)口），z10， z20 ，則可得：第41頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29422022/7/2942扇風(fēng)機(jī)安裝在井下（3）式式兩式相加，得式 第42頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29432022/7/2943扇風(fēng)機(jī)安裝在井下（4） 由前式可得： 上式說(shuō)明，當(dāng)扇風(fēng)機(jī)安裝在井下時(shí)，扇風(fēng)機(jī)的全壓與自然風(fēng)壓共同作用，克服入風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)的礦井阻力之和，并在出風(fēng)口造成動(dòng)壓損失。 第43頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29442022/7/2944扇風(fēng)機(jī)安裝在井下時(shí)的壓力分布圖Hv4HsHtpapa第44頁(yè)，共50頁(yè)。壓力分布如圖3-12所示，可以看出，在吸風(fēng)段，全壓與靜壓均為負(fù)值，在出風(fēng)段，全壓與靜壓均為正值。扇風(fēng)機(jī)安裝在井下時(shí)的壓力分布圖第45頁(yè)，共50頁(yè)。2022/7/29462022/7/2946總 結(jié)壓入式抽出式風(fēng)機(jī)在井下共同點(diǎn)（1）HfHnh阻h出，即三種方式的扇風(fēng)機(jī)全壓都與自然風(fēng)壓共同作用，克服礦井通風(fēng)阻力h阻并造成出口動(dòng)壓損失h出；（2）設(shè)法降低出口動(dòng)壓損失h出，以節(jié)省扇風(fēng)機(jī)能量。 不同點(diǎn)（1）全巷道風(fēng)流處于正壓