通风安全学 矿井通风风量调节与系统分析.pptx
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1、本章主要内容本章主要内容 矿井通风系统是由通风动力、通风网络和控制设备等要素组成的空间物理结构实体。在正常时期其功能是保质保量地为采掘作业地点和需风场所供给新鲜空气,创造符合健康卫生标准的工作环境;在灾变时期,具有防止和抗御灾害扩大、减小灾害损失,为救灾创造安全环境和条件的功能,是矿井安全生产的重要保障系统。矿井通风网络是矿井通风系统的一种表现形式。通风系统中各井巷分配的风量及其方向遵循一定规律。第1页/共100页本章主要内容本章主要内容 第一节 矿井通风系统图与网络图 第二节 通风网络中风流流动基本定律 第三节 简单网络特性 第四节 通风网络动态特性分析 第五节 矿井风量调节第六节 应用计算
2、机解算复杂通风网络 第七节 矿井通风系统分析第2页/共100页第一节第一节 矿井通风系统图和网络图矿井通风系统图和网络图一、矿井通风系统图及其绘制 矿井通风系统图是煤矿安全生产必备的图件,是在矿井采掘工程平面布置图的基础上加工绘制而成的,反映矿井通风系统中各要素之间相互关系及通风参数的图纸。通风系统图上,一般应按图例标注以下内容:(1)主要通风机的位置及其型号和工作参数;(2)局部通风机的位置及其型号和参数;(3)矿井和采区主要进、回风巷道名称及其风量和风流方向;(4)采、掘工作面和硐室名称及其风量;(5)密闭墙、风门、调节门、风桥等通风构筑物和安全设施位置;(6)通风防火与防尘设施的布置等,
3、如有火区、积水区等应在图上进行标注。第3页/共100页通风系统立体图 矿井通风系统立体图是根据投影原理把矿井巷道的立体图投影到平面上而形成的图形。它能较好地表达巷道之间的立体关系,是进行通风系统设计和现场施工管理必不可少的资料。一般采用轴侧投影法绘制矿井通风系统立体图。轴侧投影的实质就是把空间物体连同空间坐标轴投影于投影面上,利用三个坐标轴确定物体的三个尺度。其特点是:平行于某一坐标轴的所有线段,其变形系数相等。第一节第一节 矿井通风系统图和网络图矿井通风系统图和网络图第4页/共100页第5页/共100页二、矿井通风网络与网络图绘制(一)通风网络术语矿井通风网络:用图论的方法对通风系统进行抽象
4、描述,用线表示井巷,用点表示井巷交汇点,用点线之间的连接关系表示矿井中风流的分合关系,由此得到的系统成为矿井通风网络。通风网络图:用直观的几何图形来表示通风网络。1)分支(边、弧):表示一段通风井巷的有向线段,线段的方向代表井巷中的风流方向。每条分支可有一个编号,称为分支号。伪分支:不表示实际井巷的分支,如地面漏风和连接进、回风井口的地面大气分支,常用虚线表示。第一节 矿井通风系统图和网络图第6页/共100页第7页/共100页2)节点(结点、顶点):是两条或两条以上分支的交点。342151234567第一节 矿井通风系统图和网络图第8页/共100页3)路(通路、道路):是由若干条方向相同的分支
5、首尾相连而成的线路。如图中125、1246和136等均是通路。4)回路:由两条或两条以上分支首尾相连形成的闭合线路称为回路。当回路中的非相邻节点间不存在分支时,该回路又称为网孔。如图中243、2563和1367都是回路,其中2-4-3是网孔,而2-5-6-3不是网孔。342151234567第一节 矿井通风系统图和网络图第9页/共100页5)树:是指任意两节点间至少存在一条通路但不含回路的一类特殊图。由于这类图的几何形状与树相似,故得名。树中的分支称为树枝。包含通风网络的全部节点的树称为其生成树,简称树。6)割集:割集是网络分支的一个子集,将割集中的边从网络图中移去后,将使网络图成为两个分离的
6、部分。第一节 矿井通风系统图和网络图第10页/共100页(二)矿井通风网络图特点:)通风网络图只反映风流方向及节点与分支间的相互关系,节点位置与分支线的形状可以任意改变。)能清楚地反映风流的方向和分合关系,并且是进行各种通风计算的基础,因此是矿井通风管理的一种重要图件。第一节 矿井通风系统图和网络图第11页/共100页网络图两种类型:一种是与通风系统图形状基本一致的网络图;另一种是曲线形状的网络图,如图5-1-3所示。一般常用曲线网络图。绘制步骤:1)节点编号 在通风系统图上给井巷的交汇点标上特定的节点号。2)绘制草图 在图纸上画出节点符号,并用单线条(直线或弧线)连接有风流连通的节点。3)图
7、形整理 按照正确、美观的原则对网络图进行修改。第一节 矿井通风系统图和网络图第12页/共100页通风网络图的绘制原则:1)用风地点并排布置在网络图中部,进风节点位于其下边;回风节点在网络图的上部,风机出口节点在最上部;2)分支方向基本都应由下至上;3)分支间的交叉尽可能少;4)网络图总的形状基本为“椭圆”形。5)合并节点,某些距离较近、阻力很小的几个节点,可简化为一个节点。6)并分支,并联分支可合并为一条分支。第一节 矿井通风系统图和网络图第13页/共100页通风网络图的简化方法:按通风系统图实际分支和节点画出的网络图过于复杂,应根据分析问题的需要进行简化。1)并边:简单的串联或并联分支可用一
8、条等效分支代替。等效分支的风阻值,按串、并联风阻计算公式求算。2)并点:阻力很小(如小于10Pa)的分支,可将其始末节点并为一个节点,压降很小的局部风网(如井底车场、采区车场)也可并为一个节点。3)断路:风阻很大的分支可视为断路。例如,一些漏风量很少的通风构筑物所在的分支可视为断路,在网络图中可不画出。第一节 矿井通风系统图和网络图第14页/共100页 风流在通风网络内流动时,除服从能量守恒方程(伯努利方程)外,还遵守以下规律:风量平衡定律能量平衡定律通风阻力定律第二节 通风网络中风流流动基本定律第15页/共100页一、风量平衡定律 风量平衡定律是指在稳态通风条件下,单位时间流入某节点的空气质
9、量等于流出该节点的空气质量;或者说,流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零,即第二节 通风网络中风流流动基本定律第16页/共100页 若不考虑风流密度的变化,则流入与流出某节点的各分支的体积流量(风量)的代数和等于零,即:如图a,节点4处的风量平衡方程为:上述节点扩展为无源回路,则风量平衡定律依然成立。16523图a第二节 通风网络中风流流动基本定律第17页/共100页 如图b所示,回路2-4-5-7-2的各邻接分支的风量满足如下关系:表明:流入节点、回路或网孔的风量与流出节点、回路或网孔的风量的代数和等于零。一般取流入的风量为正,流出的风量为负。2178356图b第二节 通风网络中
10、风流流动基本定律第18页/共100页二、能量平衡定律 假设:一般回路中分支风流方向为顺时针时,其阻力取“”,逆时针时,其阻力取“”。(1)无动力源(HN Hf)通风网路图的任一回路中,无动力源时,各分支阻力的代数和为零,即:如图,对回路6中有:23456第二节 通风网络中风流流动基本定律第19页/共100页 (2)有动力源 设风机风压Hf,自然风压HN。如图,对回路234 5 1中有:一般表达式为:即:能量平衡定律是指在任一闭合回路中,各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。23456第二节 通风网络中风流流动基本定律第20页/共100页三、通风阻力定律风流在通风网络中
11、流动,绝大多数属于完全紊流状态,故其阻力定律遵守平方关系,即:hi=RiQi2式中:hi风网中某条风路的风压或阻力,Pa;Ri该条风路的风阻,Ns2/m8;Qi该条风路的风量。第二节 通风网络中风流流动基本定律第21页/共100页第三节 简单网络特性1.串联风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连,中间没有风流分汇点的线路称为串联风路。如图所示,由1,2,3,4,5五条分支组成串联风路。(1)串联风路特性 1)总风量等于各分支的风量,即 MS=M1=M2=Mn 当各分支的空气密度相等时,QS=Q1=Q2=Qn458123679123456789第22页/共100页 2)总风压(阻力)等于各分支风
12、压(阻力)之和,即:3)总风阻等于各分支风阻之和,即:第三节 简单网络特性第23页/共100页 4)串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系第三节 简单网络特性第24页/共100页(2)串联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上串联风路的特性,可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。1R1R2R1R2R1+R2Qh第三节 简单网络特性第25页/共100页 绘制方法:)首先在h-Q坐标图上分别作出串联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2;)根据串联风路“风量相等,阻力叠加”的原则,作平行于h轴的若干条等风量线,在等风量线上将1、2分支阻力h1、h2叠加,得到串联风路的等效阻力特性曲线上的点;)将所有等风量线上
13、的点联成曲线R3,即为串联风路的等效阻力特性曲线。第三节 简单网络特性第26页/共100页2.并联风网 由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网络,称为并联风网。如图所示并联风网由5条分支并联 (1)并联风路特性:1)总风量等于各分支的风量之和,即 当各分支的空气密度相等时,1234612345第三节 简单网络特性第27页/共100页 2)总风压等于各分支风压,即 注意:当各分支的位能差不相等,或分支中存在风机等通风动力时,并联分支的阻力并不相等。1234612345第三节 简单网络特性第28页/共100页 3)并联风网总风阻与各分支风阻的关系 又 即:第三节 简单网络特性第
14、29页/共100页 4)并联风网等积孔等于各分支等积孔之和,即 第三节 简单网络特性第30页/共100页 5)并联风网的风量分配 若已知并联风网的总风量,在不考虑其它通风动力及风流密度变化时,可由下式计算出分支i的风量。即 R1R2.RiRnQS第三节 简单网络特性第31页/共100页在简单并联风网中,第一和第二条分支的自然分配风量的计算式分别为:第三节 简单网络特性第32页/共100页 (2)并联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上并联风路的特性,可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。方法:)首先在h-Q坐标图上分别作出并联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2;)根据并联风路“风压(阻力)相等,风
15、量叠加”的原则,作平行于Q轴的若干条等风压线,在等风压线上将1、2分支阻力h1、h2叠加,得到并联风路的等效阻力特性曲线上的点;第三节 简单网络特性第33页/共100页 )将所有等风压线上的点联成曲线R3,即为并联风路的等效阻力特性曲线。2112R1R2R1R2R1+R2QH第三节 简单网络特性第34页/共100页.串联风路与并联风网的比较 在任何一个矿井通风网络中,都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、回风风路多为串联风路,而采区内部多为并联风网。并联风网的优点:(1)从提高工作地点的空气质量及安全性出发,采用并联风网具有明显的优点。(2)在同样的分支风阻条件下,分支并联时的总风阻小于串联时
16、的总风阻。第三节 简单网络特性第35页/共100页 例如:若R1=R2=0.04kg/m7,串联:Rs=R1+R2=0.08 kg/m7 并联:Rs:Rs2:在相同风量下,串联的能耗为并联的8倍。1R1R22112R1R2第三节 简单网络特性第36页/共100页.角联风网(1)几个概念 角联风网:是指内部存在角联分支的网络。角联分支(对角分支):是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支。第三节 简单网络特性第37页/共100页 简单角联风网:仅有一条角联分支的风网。复杂角联风网:含有两条或两条以上角联分支的风网。213456复杂角联风网简单角联风网1第三节 简单网络
17、特性第38页/共100页(2)角联分支风向判别 原则:分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点;当两点能位相同时,风流停滞;当始节点能位低于末节点时,风流反向。判别式(以简单角联为例):对于无压源的回路1,3,-4,-2,根据回路能量平衡定律可得到如下方程式:节点2和节点3之间的压能差为:压能=压能-h1,压能=压能-h2=压能-压能=h2-h111第三节 简单网络特性第39页/共100页 (1)当分支5中无风时,其始、末节点的压能差等于0,且Q1=Q3,Q2=Q4,得 两式相比得:即 或写为:第三节 简单网络特性第40页/共100页 )当分支5中风向由23
18、节点的压能高于节点,因为 压能=压能-h1,压能=压能-h2=压能 压能=h11,便可判定由节点3流向节点2,如得K1,则可判定节点2流向节点3,如得K=1,分支5无风流。判别式的作用之二是用来制定风流不稳定的预防措施。例如,若1、5、4都是工作面,为保持分支5的风流从节点2到节点3,不允许分支5的风流从节点3流向节点2,也不容许Q50,须始终满足K Q,表明通风机的风压曲线愈陡(轴流式通风机),总风量的减少值愈小,反之则愈大。2)总风量的减少值与主要通风机性能曲线的陡缓有关。第65页/共100页3)增阻调节有一定的范围,超出这范围可能达不到调节的目的。图中,若主要通风机性能曲线不变,且取R1
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