CN107064417A - 一种印刷机邻域的VOCs在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种印刷机邻域的VOCs在线监测方法，包括：(1)建立印刷车间VOCs气体流动模型；(2)基于VOCs各参量建立车间VOCs气体流动控制模型；(3)分析印刷车间VOCs气体分布特征；(4)分析印刷机周围2m邻域范围内的VOCs气体分布特征；(5)沿邻域边界面等距分布VOCs测点分析车间环境条件；(6)采用定点分布方式测定邻域内扩散源处VOCs的浓度；(7)沿邻域内扩散特征曲线非均匀分布测点分析VOCs扩散状态；(8)基于ZigBee技术的VOCs在线监测。提出了一种适应于印刷过程VOCs监测方法，有助于准确、实时监测印刷机邻域VOCs分布状态，为印刷业VOCs控制提供一种途径。
Description
技术领域
本发明属于印刷机械检测领域，尤其是一种涉及印刷机邻域VOCs排放在线监测方法。
背景技术
印刷过程会逸散出大量的VOCs，排放方式属于无组织扩散，聚集在印刷机周围，使得车间环境恶劣，严重影响工人师傅身体健康。印刷车间属于高大建筑空间，内部气流因素复杂，而气体易受温度、湿度、压力等环境综合因素影响。因此，合理的对印刷过程VOCs气体扩散监测方案尤为重要。
国内外企业、高校在印刷VOCs方面做了大量的研究，并将研究成果运用到印刷VOCs 控制方面。研究方向整体主要分为两部分，源头控制及末端治理。而对于印刷过程VOCs扩散规律的研究比较少。印刷作业是连续进行，气体具有流动特性，VOCs浓度随时间变化并且无时无刻进行分子运动。根据印刷车间环境分为工作区和非工作区，工人经常活动在工作区域，即印刷机周围一定区域内。那么可通过相应的在线监测方案，分析印刷机邻域范围内气体扩散规律，从而为找出相应的控制方法提供一定依据。
发明内容
本发明目的是为克服上述问题而提供了一种印刷机邻域的VOCs在线监测方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种印刷机邻域的VOCs在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立印刷车间VOCs气体流动模型；
(2)基于VOCs各参量建立车间VOCs气体流动控制模型；
(3)分析印刷车间VOCs气体分布特征；
(4)分析印刷机周围2m邻域范围内的VOCs气体分布特征；
(5)沿邻域边界面等距分布VOCs测点分析车间环境条件；
(6)采用定点分布方式测定邻域内扩散源处VOCs的浓度；
(7)沿邻域内扩散特征曲线非均匀分布测点分析VOCs扩散状态；
(8)基于ZigBee技术的VOCs在线监测。
所述的步骤1)建立印刷车间VOCs气体流动模型，印刷车间通风方式采用分层空调形式，排风扇选用百叶窗和自动调整型旋流风扇。车间顶部设有两排排风口，一侧墙底部设有出风口，另一侧边设有送风口，其中进风口距离车间地面高度4m，车间底部出风口距离地面 0.4m处。不考虑印刷机地脚，故印刷机模型设计成处于悬空状态距离地面350mm。印刷车间属于高大建筑空间，内部存在温度场、气流场、压力场等，环境因素复杂。根据流体力学，建立车间VOCs流动模型。流体流动状态分为湍流流动和层流流动，根据雷诺方程(1)得出车间VOCs为湍流模型。采用基于雷诺平均N-S方程组(RANS)模型的k ε两方程模式。引入时均值及脉动值的概念，通过流体力学的基本方程求解，得出VOCs湍流能量输运方程如式(2)所示及能量耗散输运方程如式(3)所示，方程中τtij为雷诺应力涡粘性模型，如式 (4)所示；μt为涡粘性，如式(5)所示。
μt＝cμfμρk2/ε (5)
式中，V为截面通过流体的平均速度；L为特征长度；v为流体运动粘度，k为VOCs气体湍动能；ε湍流耗散率；f为衰减函数；Sij为车间VOCs平均速度应变张量；ρ为印刷车间内VOCs气体密度；t为扩散时间；x,y,z气体为流动方向；cμ为常数0.09；cε1为常数1.45；cε2为常数1.92；σk为常数1.0；σε为常数1.3；Prt为常数0.9；μt为涡粘性，δij为克罗内克算子。
所述的步骤2)基于VOCs各参量建立车间VOCs气体流动控制模型，印刷车间VOCs属于湍流模型，气体分子运动状态为紊流状态，气体密度、压力、浓度等参数除了满足N-S之方程外，各个参数还应满足守恒定律。根据物质守恒定律，车间VOCs气体分布在任意两个连续状态间存在一个映射关系如式(6)所示：
yi＝f(xi) (6)
xi＝{mi，pi，ei，ci，tn}
yi＝{mi，pi，ei，ci，tn+1}
式中：i为VOCs组分。
由式(6)可得，印刷VOCs质量、动量、能量及组分参量满足以下守恒方程：
式中，ρ为印刷车间内VOCs气体密度；t为扩散时间；x,y,z气体为流动方向；u,v,w气体流动速率；表示印刷车间内单位体积的VOCs气体所受的惯性力；ρF为印刷车间内单位体积的VOCs气体的质量力；divp为印刷车间内单位体积的VOCs气体的应力张量的三度； U为印刷车间内单位体积的VOCs气体的内能；vi为印刷VOCs气体速率，i＝x,y,z；Fi为印刷车间内单位体积的VOCs气体的质量力，i＝x,y,z；pij为印刷车间内单位体积的VOCs 气体的面力；ρq为由于辐射或其他物理或化学原因的热量贡献。代表印刷车间内单位体积内VOCs组分l的质量变化率；ρvml是印刷VOCs组分l的对流流量密度；Jl代表印刷车间内VOCs气体扩散流量密度；Sl是印刷车间内单位体积VOCs的组分l的生成率。
所述的步骤3)分析印刷车间VOCs气体分布特征，图2所示为车间纵向温度分布云图，车间内温度出现分层。印刷机1周围温度最高，车间区域5温度降低，车间整体温度适中。印刷机1周围温度呈不均匀分布，随着距离增加温度降低，其中印刷机色组部分2、4，收纸 3处温度最高。图3为车间内气流分布云图，车间顶部出现两个明显的漩涡，表明这种通风方式有助于污染气体排出。图4所示为车间纵向VOCs分布云图，得出车间内VOCs气体出现分层分布。印刷机1周围浓度最高，而车间其他区域5处的VOCs浓度降低，气体分布形式等值线分布，随着距离的增加浓度降低。印刷机色组周围2、4及收纸台3处VOCs气体浓度较高，分布特征呈等值线不均匀分布，并随距离增加气体浓度降低。图5a-5b为车间VOCs 分布散点图，表明VOCs随距离分布情况。图5a得出VOCs主要集中在高度5m以下的空间，大于5m后VOCs浓度明显将低，图5b得出VOCs主要集中在印刷机两侧2m范围内，超出 2m后由于受到墙壁及排风口等原因使得VOCs浓度降低。
所述的步骤4)分析印刷机周围2m邻域范围内的VOCs气体分布特征，由步骤3)可得，车间内VOCs主要集中于印刷机周围，且根据图5a-5b车间VOCs散点图得出，车间高度方向VOCs主要分布于印刷机上部2m以下，横向方向VOCs主要分布于印刷机左右2m以内。因此，将印刷机周围2m范围定义为印刷机邻域区域。由图5a-5b可得印刷机色组周围2、4 及收纸台3处VOCs气体浓度较高，分布特征呈等值线不均匀分布，并随距离增加VOCs浓度降低。
所述的步骤5)沿邻域边界面等距分布VOCs测点用于分析车间环境条件，车间环境对操作者身体有很大影响，印刷机邻域为操作者主要活动范围。如图6a所示，在印刷机传动侧和操作侧分别取3个测点，进行采样监测。其中采样时间为40分钟，不包括印刷过程操作者使用清洗剂调整作业时间段。点①②③为传动侧测点，点④⑤⑥为操作侧测点，两侧测点高度均距离地面1.5m。
所述的步骤6)采用定点分布方式测定邻域内扩散源处VOCs的浓度，由图5a-5b得出，印刷机色组周围2、4及收纸台3处VOCs气体浓度较高，因此提出在扩散源处进行定点监测。采用如图6b所示，A测点是位于印刷机第三色组上方0.5m处；B测点是位于靠近第二色组，距地面1.5m处；C测点是位于距离收纸台0.5m，距离地面为1.5m处；D测点是位于车间排风扇下方，距离地面1.5m处。
所述的步骤7)沿邻域内扩散特征曲线非均匀分布测点分析VOCs扩散状态，图4中印刷机邻域内VOCs分布呈等值线不均匀分布，靠近色组区域3处浓度大于两侧VOCs浓度。如图6c所示，选择在印刷机上部及操作侧沿某一特征曲线分布测点，点①②③④⑤为操作侧监测点，点⑥⑦⑧⑨⑩为色组上方监测点。非均匀阵列方式监测方案下所有测点具有同一基准，如果某点出现异常，表明在此基准线范围内可能出现异常泄漏源，因此能够更好地用于监测印刷过程VOCs扩散状态，有针对性的采取补救措施，为控制印刷VOCs排放提供一种方法。
所述的步骤8)基于ZigBee技术的VOCs在线监测，ZigBee技术应用于气体监测，具有成本低、节点量大、体积小、传输距离远等优点。气体监测系统主要组成包括终端节点、协调器、数据处理模块、上位机。其中，
终端节点：负责目标气体数据信息采集，是ZigBee网络的感知与执行部分。本系统终端节点包括ZigBee底板、核心板及VOCs气体传感器。核心板主要组成是CC2530芯片，具有8051兼容微控制器、ZigBee射频(RF)前端等。底板主要包括数据拓展模块、收发指示灯、仿真器接口、USB串口、电源模块等。
协调器：支撑网络的链路结构具有数据采集及数据包的多跳路由转发，作为一种中介保持及维护网关及感器节点通信。主要负责新建和维护网络，配置监测节点的网络地址，控制监测节点的执行事件，无线接收监测节点的数据信息以及与监控主机软件进行通信。主要组成由底板和核心板，其组成与上述终端节点组成相同。
数据处理模块：选用的核心处理器是STM32F103RET7，包括收发指示灯、仿真器接口，电源模块等，主要完成将从各节点收回的底层数据进行处理转换，提取所需数据，传送到上位机。
上位机：主要完成接收网关数据和发送指令。通过印刷VOCs气体监测软件实现印刷过程VOCs扩散状态在线监测。
附图说明
图1是本发明印刷机邻域VOCs在线监测方法结构框图；
图2是本发明印刷车间纵向温度场分布云图；
图3是本发明印刷车间气流场分布云图；
图4是本发明印刷车间纵向VOCs浓度场分布云图；
图5a是本发明印刷车间纵向VOCs分布散点图；
图5b是本发明印刷车间横向VOCs分布散点图；
图6a-6c是本发明印刷机邻域VOCs测点图；
图7是本发明基于Zigbe技术的VOCs在线监测结构图；
附图标记如下：
图2中，1-印刷机模型，2-印刷机色组与色组中间区域，3-印刷机收纸部分，4-印刷机上部温度集中区域，5-温度非集中区域。
图4中，1-印刷机模型，2-印刷机色组与色组中间区域，3-印刷机收纸部分，4-印刷机上部VOCs集中区域，5-VOCs非集中区域。
图6a中，①-印刷机传动侧靠近输纸台，距离印刷2m，距离地面1.5m处，②-印刷机传动侧靠近第三色组，距离印刷机2m，距离地面1.5m处，③-印刷机传动侧靠近收纸台，距离印刷机2m，距离地面1.5m处，④-印刷机操作侧靠近输纸台，距离印刷机2m，距离地面1.5m处，⑤-印刷机传动侧靠近第三色组，距离印刷机2m，距离地面1.5m处，⑥印刷机操作侧靠近输纸台，距离印刷机2m，距离地面1.5m处，←表示车间内风速方向。
图6b中，A-第二色组上方0.5m处，B-靠近第二色组，距离地面1.5m处，C-距离收纸台 0.5m，距离地面1.5m处，D-排气扇下方，距离地面1.5m处,←表示车间内风速方向。
图6c中，①-印刷机操作侧靠近输纸台，距离地面高度1.5m处，②-印刷机操作侧靠近第一色组，距离地面高度1.5m处，③-靠近印刷机操作侧第一色组与第二色组之间区域，距离地面高度1.5m处，④-靠近印刷机操作侧第二色组与第三色组之间区域，距离地面高度1.5m 处，⑤-靠近印刷机操作侧第三色组与第四色组之间区域，距离地面高度1.5m处，⑥-印刷机上部，位于第一色组与输纸台中间区域，⑦-印刷机上部，位于第一色组与第二色组中间区域，⑧-印刷机上部，位于第二色组与第三色组中间区域，⑨-印刷机上部，位于第三色组与第四色组中间区域，⑩-印刷机上部，第四色组与收纸台中间区域，←表示车间内风速方向。①②③④⑤测点与⑥⑦⑧⑨⑩测点均在印刷机邻域范围内，即印刷机色组上方2m，印刷机周围 2m内。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
印刷机邻域VOCs测点分布如图6a-6c所示，各测点方案构成如下：
①沿邻域边界面等距分布VOCs测点用于分析车间环境条件(见图1和图6a)，印刷机邻域为操作者主要活动范围。如图6a所示。在印刷机传动侧和操作侧分别等距分布选取3个测点。其中采样时间为40分钟，不包括印刷过程操作者使用清洗剂调整作业时间段。点①②③为传动侧测点，点④⑤⑥为操作侧测点，测点位置为均距离印刷机2m，距离地面1.5m处。
②采用定点分布方式测定邻域内扩散源处VOCs的浓度(见图1和图6b)，由图4得出，印刷机色组周围2、4及收纸台3处VOCs气体浓度较高，采用如图6b所示，A测点是位于印刷机第三色组上方0.5m处；B测点是位于靠近第二色组，距地面1.5m处；C测点是位于距离收纸台0.5m，距离地面为1.5m处；D测点是位于车间排风扇下方，距离地面1.5m处。
③沿邻域内扩散特征曲线非均匀分布测点分析VOCs扩散状态(见图1和图6c)，图4中印刷机邻域内VOCs分布呈等值线不均匀分布，靠近色组区域4浓度大于两侧区域VOCs 浓度。如图6c所示，选择在印刷机上部及操作侧沿某一特征曲线分布测点，点①②③④⑤为操作侧监测点，点⑥⑦⑧⑨⑩为色组上方监测点。非均匀阵列方式监测方案下所有测点具有同一基准，如果某点出现异常，表明在此基准线范围内可能出现异常泄漏源，因此能够更好地用于监测印刷过程VOCs扩散状态，为控制印刷VOCs排放提供一种方法。
所述的步骤3)分析印刷车间VOCs气体分布特征，图2所示为车间纵向温度分布云图，车间内温度出现分层。印刷机1周围温度最高，车间区域5温度较低，车间整体温度适中。印刷机1周围温度呈不均匀分布，随着距离增加温度降低，其中印刷机色组部分2、3，收纸台4处温度最高。图3为车间内气流分布云图，车间顶部出现两个明显的漩涡，表明这种通风方式有助于污染气体排出。图4所示为车间纵向VOCs分布云图，得出车间内VOCs气体出现分层分布。印刷机1周围浓度最高，而车间其他区域5处的VOCs浓度将低，气体分布形式等值线分布，随着距离的增加浓度降低。印刷机色组周围2、4及收纸台3处VOCs气体浓度较高，分布特征呈等值线不均匀分布，并随距离增加气体浓度降低。图5a-5b为车间VOCs 分布散点图，表明VOCs随距离分布情况。图5a得出VOCs主要集中在高度5m以下的空间，大于5m后VOCs浓度明显将低，图5b得出VOCs主要集中在印刷机两侧2m范围内，超出 2m后由于受到墙壁及排风口等原因使得VOCs浓度降低。
所述的步骤4)分析印刷机周围2m邻域范围内的VOCs气体分布特征，由步骤3)可得，车间内VOCs主要集中于印刷机周围，且根据图5a-5b车间VOCs散点图得出，车间高度方向VOCs主要分布于印刷机上部2m以下，横向方向VOCs主要分布于印刷机左右2m以内。因此，将印刷机周围2m范围定义为印刷机邻域区域。由图4可得印刷机色组周围2、4及收纸台3处VOCs气体浓度较高，分布特征呈等值线不均匀分布，并随距离增加VOCs浓度降低。
所述的步骤8)基于ZigBee技术的VOCs在线监测，ZigBee技术应用于气体监测，具有成本低、节点量大、体积小、传输距离远等优点。如图7所示，气体在线监测主要包括终端节点、协调器、数据处理板、上位机。其中，
终端节点：负责目标气体数据信息采集，ZigBee网络的感知与执行部分。本系统终端节点包括ZigBee底板、核心板及VOCs气体传感器。核心板主要组成是CC2530芯片，8051兼容微控制器、ZigBee射频(RF)前端等。底板主要包括数据拓展模块、收发指示灯、仿真器接口、USB串口、电源模块等。
协调器：支撑网络的链路结构具有数据采集及数据包的多跳路由转发，作为一种中介保持及维护网关及感器节点通信。主要负责新建和维护网络，配置监测节点的网络地址，控制监测节点的执行事件，无线接收监测节点的数据信息以及与监控主机软件进行通信。主要组成由底板和核心板，其组成与上述终端节点组成相同。
数据处理板：选用的主芯片为STM32F103RET7，包括收发指示灯、仿真器接口，电源模块等，主要完成将从各节点收回的底层数据进行处理转换，提取所需数据，传送给上位机。
上位机：主要完成接收网关数据和发送指令。通过印刷VOCs气体监测软件实现对印刷过程VOCs扩散状态在线监测。
Claims (9)
1.一种印刷机邻域VOCs在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立印刷车间VOCs气体流动模型；
(2)基于VOCs各参量建立车间VOCs气体流动控制模型；
(3)分析印刷车间VOCs气体分布特征；
(4)分析印刷机周围2m邻域范围内的VOCs气体分布特征；
(5)沿邻域边界面等距分布VOCs测点分析车间环境条件；
(6)采用定点分布方式测定邻域内扩散源处VOCs的浓度；
(7)沿邻域内扩散特征曲线非均匀分布测点分析VOCs扩散状态；
(8)基于ZigBee技术的VOCs在线监测。
2.根据权利要求1所述一种印刷机邻域的VOCs在线监测方法，其特征在于：所述的步骤1)建立印刷车间VOCs气体流动模型，根据雷诺方程式(1)，得出车间VOCs为湍流模型，采用基于雷诺平均N-S方程组(RANS)模型的k～ε两方程模式，引入时均值及脉动值的概念，通过流体力学的基本方程求解，得出VOCs湍流能量输运方程如式(2)所示及能量耗散输运方程如式(3)所示，方程中τtij为雷诺应力涡粘性模型，如式(4)所示，μt为涡粘性，如式(5)所示。
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μt＝cμfμρk2/ε (5)
式中，V为截面通过流体的平均速度；L为特征长度；v为流体运动粘度，k为VOCs气体湍动能；ε湍流耗散率；f为衰减函数；Sij为车间VOCs平均速度应变张量；ρ为印刷车间内VOCs气体密度；t为扩散时间；x，y，z气体为流动方向；cμ为常数0.09；cε1为常数1.45；cε2为常数1.92；σk为常数1.0；σε为常数1.3；Prt为常数0.9；δij为克罗内克算子。
3.根据权利要求1或2所述一种印刷机邻域的VOCs在线监测方法，其特征在于，所述的步骤2)基于VOCs各参量建立车间VOCs气体流动控制模型，基于质量、动量、能量及组分守恒相关定理，车间VOCs气体分布在任意两个连续状态间存在一个映射关系如式(6)所示：
yi＝f(xi) (6)
xi＝{mi，pi，ei，ci，tn}
yi＝{mi，pi，ei，ci，tn+1}
式中：i为VOCs组分。
由式(6)可得，印刷VOCs质量、动量、能量及组分参量满足以下守恒方程：
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式中，ρ为印刷车间内VOCs气体密度；t为扩散时间；x，y，z气体为流动方向；u，v，w气体流动速率；表示印刷车间内单位体积的VOCs气体所受的惯性力；ρF为印刷车间内单位体积的VOCs气体的质量力；divp为印刷车间内单位体积的VOCs气体的应力张量的三度；U为印刷车间内单位体积的VOCs气体的内能；vi为印刷VOCs气体速率，i＝x，y，z；Fi为印刷车间内单位体积的VOCs气体的质量力，i＝x，y，z；pij为印刷车间内单位体积的VOCs气体的面力；ρq为由于辐射或其他物理或化学原因的热量贡献；代表印刷车间内单位体积内VOCs组分l的质量变化率；ρvml是印刷VOCs组分l的对流流量密度；Jl代表印刷车间内VOCs气体扩散流量密度；Sl是印刷车间内单位体积VOCs的组分l的生成率。
4.根据权利要求1或2或3所述一种印刷机邻域的VOCs在线监测方法，其特征在于，所述的步骤3)分析印刷车间VOCs分布特征，车间VOCs分布出现分层，大部分VOCs集中分布于印刷机上部及周围2m内，且呈等值线不均匀分布，其中色组及收纸台区域VOCs浓度、厂房其他区域VOCs浓度、靠近门口处及排风口处VOCs浓度依次减少。
5.根据权利要求1所述一种印刷机邻域VOCs在线监测方法，其特征在于，所述的步骤4)分析印刷机周围2m邻域范围内的VOCs气体分布特征，印刷机邻域内VOCs分布呈等值线不均匀分布，且随着距离的增加VOCs浓度降低，其中色组及收纸台区域VOCs浓度较高。
6.根据权利要求1所述一种基于印刷机邻域的VOCs在线监测方法，其特征在于，所述的步骤5)沿邻域边界面等距分布VOCs测点分析车间环境条件，测点位置包括印刷机操作侧沿邻域边界面等距选取的三个测点和传动侧沿邻域边界面等距选取的三个测点，且测点位置均距离地面1.5m。
7.根据权利要求1所述一种基于印刷机邻域的VOCs在线监测方法，其特征在于，所述的步骤6)采用定点分布方式测定邻域内扩散源处VOCs的浓度，测点位置包括色组上方距离色组0.5m处、色组与色组之间距离印刷机0.5m并距离地面1.5m处、距离收纸台0.5m并距离地面高1.5m处和排气扇下方距离地面1.5m处。
8.根据权利要求1所述一种印刷机邻域VOCs在线监测方法，其特征在于，所述的步骤7)沿邻域内扩散特征曲线非均匀分布测点分析VOCs扩散状态，测点位置包括分别从印刷机上部及操作侧沿分布特征曲线不均匀分布的5个测点。
9.根据权利要求1所述一种印刷机邻域VOCs在线监测方法，其特征在于，所述的步骤8)基于ZigBee技术的VOCs在线监测，气体监测系统主要组成包括终端节点、协调器、数据处理模块及上位机，由各终端节点上VOCs传感器采集数据发送到协调器通过CC2530芯片将数据转发到数据处理模块，由STM32芯片进行底层数据处理传送到上位机软件并发送相关指令。
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