矿井通风压力

第二章矿井通风压力主要研究内容：介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。第一节空气的主要物理参数一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位KT=273.15+t二、压力（压强）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。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。P=2/3n(1/2mv2)矿井常用压强单位：PaMpammHgmmH20mmbarbaratm等。换算关系：1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa１mmbar=100Pa=10.2mmH20,１mmHg=13.6mmH20=133.32Pa三、密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与P、t、湿度等有关。ρ=M/V四、比容空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号（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:=V/M=1/四、粘性流体抵抗剪切力的性质。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。其大小主要取决于温度。式中：μ－－比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性或绝对粘度。其温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低Vy第二节风流能量与压力能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，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。一、风的能量与压力1.静压能－静压（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E静，J／m3，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。静压力P静=N/m2也可称为是静压能，值相等（２）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。（３）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：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－P0Pi与hi比较：I、绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分；II、同一断面上各点风流的绝对静压随高度的变化而变化，而相对静压与高度无关。III、Pi可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P0i)。2、位能（1)位能的概念位能的产生如果把质量为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。（２）位能计算dzi１２００２１（3)位能与静压的关系（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)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E动表示，J/m3；其动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用符号h动表示，单位Pa。（2)动压的计算单位体积空气所具有的动能为：E动＝i×V2×0.5式中：i－－i点的空气密度，Kg/m3；v－－i点的空气流速，m/s。E动对外所呈现的动压h动，其值相同。（3)动压的特点a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。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。４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。Ａ、绝对全压（P全）P全＝P静＋h动B、相对全压（hti）h全＝P全－Po压入式风道中：h全〉0抽出式风道中：h全〈0二、风流的点压力之间相互关系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：h动=P全-P静hvi、hI和hti三者之间的关系为：h全=h静+h动。压入式通风（正压通风）：风流中任一点的相对全压恒为正。∵P全andP静Po∴h全＞0，h静＞０且h全＞h静，h全=h静+h动压入式通风的实质：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。抽出式通风（负压通风）：风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式通风由于h全和h静为负，即：h全=h静－h动抽出式通风的实质：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h静=1000Pa，h动=150Pa，风筒外与i点同标高的P0=101332Pa，求：(1)i点的绝对静压P静；(2)i点的相对全压h全；(3)i点的绝对全压P全。解：(1)P静=P0+h静=101332+1000=102332Pa(2)h全=h静+h动=1000+150=1150Pa(3P全=P0+h全=101332+1150=Pa例题2-2-2如图抽出式通风风筒中某点i的h静=1000Pa，h动=150Pa，风筒外与i点同标高的P0=101332Pa，求：(1)i点的绝对静压P静；(2)i点的相对全压h全；(3)i点的绝对全压P静。解：(1)P静=P0+h静=101332.5-1000=100332Pa(2)h全=h静－h动＝1000-150=850Pa(3)P全=P0-h全=101332.5-850=100482Pa三、风流点压力的测定１、矿井主要压力测定仪器仪表（１）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。（２）压差及相对压力测量：恒温气压计、“Ｕ”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。（３）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+-测压（1）绝对压力测量仪器：空盒压差计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（2）相对压力测量仪器•A、皮托管•B、U型压差计•C、单管倾斜压差计•D、补偿式微压计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。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。B、U形压差计U形压差计a—垂直形b—倾斜形1—U形玻璃管；2—标尺C、单管倾斜压差计YYT—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D、补偿式微压计DJM9型补偿式微压计（3）矿井通风综合参数检测仪JFY型矿井通风参数检测仪面板图２、压力测定（１）绝对压力－－直接测量读数。（２）相对静压(以如图负压通风为例)（注意连接方法）：zP0i＋－h00推导如图h=h静?以水柱计的等压面0’－0’为基准面，水柱计右边等压面上受到的力：P左＝P０+ρgZ水柱计左边等压面上受到的力：P右＝P静+ρm’g(z-h)+h由等压面的定义有：P左＝P右h=P０-P静说明：（I）水柱计上下移动时，h保持不变；（II）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h相同。（３）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）zP0iht＋－hihv四、通风压力与压差•1、通风压力与压差的概念风流在流动过程中，因阻力作用引起通风压力的降落，称为压降、压差、或压力损失。井巷风流中两断面之间的总压差是造成空气流动的根本原因井巷内空气借以流动的压力称为通风压力。•矿井通风压力？•2、静压差与全压差测量•工具：皮托管和压差计连接方法本节课重点•能量方程及在矿井中的应用第三节通风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。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。如图井巷中风流从1断面流向2断面，作定常流动时，有：Mi=constρ１V1S1＝ρ２V２S２ρ１、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断面面积，m2。１２两种特例：（I）若S1＝S2，则ρ１V1＝ρ２V２；（II）若ρ１＝ρ２，则V1S1＝V２S２。对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即Q=viSi=const课本例题二、巷道中风流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，任一断面单位体积空气对某基准面而言具有三种能量，即（静压能、动压能、位能），而这三种能量一般又分别用静压P静、动压P动和位压P位三种压力来体现。推导过程：结论：2211221-2121122vvhPPgZg22Z阻关于公式的几点说明：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、各单位要统一使用Pa3、动压计算时，分别使用1-1和2-2断面的空气密度。4、位压计算中的密度，应分别取1-1和2-2断面与基准面之间的空气柱的平均密度。基准面选取：取测段之间的最低标高作为基准面。（二）、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.应用能量方程时要注意各项单位的一致性。6、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R133R122323333322222221211111hQhQ2vPZQ2vPZQ2vPZQg