CN108388693B - 印刷包装行业voc处理设备性能的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，包括：步骤1、分别生成VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型；步骤2、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行网格划分，设置边界类型，并确定流动类型；步骤3、对VOC处理设备蓄热部分的物理模型进行换热模拟计算，对VOC处理设备燃烧部分的物理模型进行燃烧模拟计算；步骤4、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行后处理，得到物理模型的进出口数据值和整体变化云图；步骤5、对VOC处理设备蓄热部分进行结构优化，对VOC处理设备燃烧部分进行参数优化。该方法能够方便的依据需要优化出应用设备的结构参数并使废气净化率达到最优。

Description

印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法
技术领域
本发明属于印刷设备技术领域，具体涉及一种印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法。
背景技术
在印刷包装行业中，VOC气体的处理是目前国家亟待解决的重大环境问题。目前，应用于印刷包装行业VOC处理的设备大多从国外引进过来，类比设计、装机生产，对其处理的效果，燃烧的效果等都没有可行的方法分析。因而导致浪费能源、处理效率偏低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，能够方便的依据需要优化出应用设备的结构参数并使废气净化率达到最优。
本发明所采用的技术方案是，一种印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，包括以下步骤：包括如下步骤：
步骤1、分别生成VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型；
步骤2、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行网格划分，设置边界类型，并确定蓄热部分和燃烧部分物理模型的流动类型；
步骤3、对VOC处理设备蓄热部分的物理模型进行换热模拟计算，对VOC处理设备燃烧部分的物理模型进行燃烧模拟计算；
步骤4、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行后处理，得到物理模型的进出口数据值和整体变化云图；
步骤5、对VOC处理设备蓄热部分进行结构优化，对VOC处理设备燃烧部分进行参数优化。
本发明的特点还在于，
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、对VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分模型进行网格划分，网格类型采用Tet/Hybrid体网格，网格尺寸采用1～40mm；
步骤2.2、分别设置VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分物理模型的边界条件类型为速度入口和压力出口；
步骤2.3、利用式(1)计算蓄热部分和燃烧部分物理模型的雷诺数，依据雷诺数判断标准确定蓄热部分和燃烧部分物理模型的流动类型；
Figure BDA0001556209470000021
其中，Re为雷诺数；ρ为流体的密度，单位：kg/m3；V为流体的平均流速，单位：m/s；L为圆管直径，非圆管流动时为当量直径，单位：m；μ为流体的粘性系数。
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、对蓄热式VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分均设置基本能量模型和湍流模型且遵循热力学的基本规律；
步骤3.2、对蓄热式VOC处理设备的蓄热部分设置材料和边界条件；
步骤3.3、对蓄热式VOC处理设备的燃烧部分设置燃烧模型和边界条件；
步骤3.4、分别对蓄热式VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算。
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、使用后处理软件对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行后处理，得到VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分物理模型的温度、速度和压强变化云图，以及蓄热部分入口、出口的平均温度、速度、压强值和燃烧部分入口、出口的平均温度、速度、压强值和废气成分均值；
步骤4.2、利用式(5)计算模型的压降:
P＝Pi-Po (5)
式中，P为压降，单位：Pa；Pi为入口平均压强，单位：Pa；Po为出口平均压强，单位：Pa；
利用式(6)计算模型的热效率:
Figure BDA0001556209470000031
式中，T为燃烧室温度，单位：℃；ti为废气入口温度，单位：℃；to为净化气出口温度，单位：℃；
利用式(7)计算模型的废气净化率:
Figure BDA0001556209470000032
式中，
Figure BDA0001556209470000033
为废气单一成分的净化率，％；ci为废气单一成分的入口平均值，单位：kg/m3；co为废气单一成分的出口平均值，单位：kg/m3。
步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1、对不同结构类型的蓄热部分物理模型进行换热模拟计算，得到不同结构类型下蓄热部分物理模型的压降和热效率，在满足蓄热部分物理模型热效率达到要求的基础上，确定最小压降值对应的结构类型为最优结构。
步骤5.2、对燃烧部分物理模型进行不同初始参数的燃烧模拟计算，得到不同入口废气成分和初始温度下燃烧部分物理模型的废气净化率，并确定合理的初始参数设置范围。
本发明的有益效果是：印刷包装行业VOC废气处理设备性能的优化方法，通过建立VOC处理设备的三维立体模型，并使用软件模拟不同结构、不同参数下模型的压降、热效率和废气净化率，分析对比获得VOC处理设备模型的最优结构和合理的初始参数设置范围，进而在设备生产和使用时能够既能达到废气净化率又可以最大化的节约成本，最终实现节约能源、保护环境的目的。
附图说明
图1本发明印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、分别生成VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型；
步骤1依据实际生产模型建立VOC处理设备的三维立体模型。
步骤2、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行网格划分，并设置边界类型；
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、对VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分模型进行网格划分，网格类型采用Tet/Hybrid体网格，网格尺寸采用1～40mm。
步骤2.2、分别设置VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分物理模型的边界条件类型为速度入口和压力出口。
步骤2.3、利用式(1)计算蓄热部分和燃烧部分物理模型的雷诺数，依据雷诺数判断标准确定蓄热部分和燃烧部分物理模型的流动类型；
Figure BDA0001556209470000051
其中，Re为雷诺数；ρ为流体的密度，单位：kg/m3；V为流体的平均流速，单位：m/s；L为圆管直径，非圆管流动时为当量直径，单位：m；μ为流体的粘性系数。
步骤3、对VOC处理设备蓄热部分的物理模型进行换热模拟计算，对VOC处理设备燃烧部分的物理模型进行燃烧模拟计算；
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、对VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分均设置基本能量模型和湍流模型且遵循热力学的基本规律，包括：
质量守恒方程
Figure BDA0001556209470000052
动量守恒方程
Figure BDA0001556209470000053
能量守恒方程
Figure BDA0001556209470000054
式中：ρ为流体密度；u，v和w分别为流体在x，y和z方向上的速度；F为质量力；
Figure BDA0001556209470000061
为哈密算子；P为应力张量；dv/dt为流体速度的变化率；T为流体的热力学温度；K为流体的导热系数；Cv为流体的比热容；Φ为流体的粘性耗散函数。
步骤3.2、设置VOC处理设备蓄热部分的材料和边界条件；
步骤3.2.1、依据实际情况设置蓄热部分的蓄热体材料以及材料的基本参数(密度、比热容、导热系数)；
步骤3.2.2、设置蓄热部分的入口边界条件为速度和温度、出口边界条件为压强及温度，设置壁面边界条件类型为对流壁面；
步骤3.3、对VOC处理设备的燃烧部分设置燃烧模型和边界条件；
步骤3.3.1、设置燃烧模型为预混燃烧模型和涡耗散模型，并依据实际情况设置废气燃烧过程的化学反应方程式；
步骤3.3.2、设置入口的边界条件为速度、温度以及废气初始成分，设置出口的边界条件为压强、温度和废气初始成分，设置壁面热力条件为温度。
步骤3.4、对VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算。
步骤4、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行后处理，得到物理模型的进出口数据值和整体变化云图；
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、使用后处理软件对VOC处理设备蓄热部分的物理模型进行后处理，得到VOC处理设备蓄热部分物理模型的温度、速度和压强变化云图，以及入口、出口的平均温度、速度和压强值。
利用式(5)计算模型的压降:
P＝Pi-Po(5)
式中，P为压降，单位：Pa；Pi为入口平均压强，单位：Pa；Po为出口平均压强，单位：Pa。
利用式(6)计算模型的热效率:
假定进出装置的气体质量流不变，温度效率即为热效率，温度效率为：
Figure BDA0001556209470000071
式中，T为燃烧室温度，单位：℃；ti为废气入口温度，单位：℃；to为净化气出口温度，单位：℃。
步骤4.2、使用后处理软件对VOC处理设备燃烧部分的物理模型进行后处理，获得VOC处理设备燃烧部分物理模型的温度、速度和压强云图，以及入口、出口的平均温度、速度和压强值和入口、出口的废气成分均值。
利用式(7)计算模型的废气净化率:
Figure BDA0001556209470000072
式中，
Figure BDA0001556209470000073
为废气单一成分的净化率，％；ci为废气单一成分的入口平均值，单位：kg/m3；co为废气单一成分的出口平均值，单位：kg/m3。
步骤5、对VOC处理设备蓄热部分进行结构优化，对VOC处理设备燃烧部分进行参数优化。
步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1、对VOC处理设备蓄热部分的物理模型设置不同结构类型，按照步骤1-4对不同结构类型的蓄热部分物理模型进行换热模拟计算，得到不同结构类型下蓄热部分物理模型的压降和热效率，在满足蓄热部分物理模型热效率达到要求的基础上，确定最小压降值对应的结构类型为最优结构。
步骤5.2、对VOC处理设备燃烧部分的物理模型设置不同的入口废气成分和初始温度，按照步骤1-4对不同入口废气成分和初始温度的燃烧部分物理模型进行不同初始参数的燃烧模拟计算，获得不同入口废气成分和初始温度下燃烧部分物理模型的废气净化率，并确定合理的初始参数设置范围。
本发明的优点是：通过建立VOC处理设备的三维立体模型，并使用软件模拟不同结构、不同参数下模型的压降、热效率和废气净化率，分析对比得到VOC处理设备模型的最优结构和合理的初始参数设置范围，进而在设备生产和使用时能够既能达到废气净化率又可以最大化的节约成本，最终实现节约能源、保护环境的目的。

Claims (4)

1.印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、分别生成VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型；
步骤2、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行网格划分，设置边界类型，并确定蓄热部分和燃烧部分物理模型的流动类型；
步骤3、对VOC处理设备蓄热部分的物理模型进行换热模拟计算，对VOC处理设备燃烧部分的物理模型进行燃烧模拟计算；
步骤4、分别对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行后处理，得到物理模型的进出口数据值和整体变化云图；
所述的步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、使用后处理软件对VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分的物理模型进行后处理，得到VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分物理模型的温度、速度和压强变化云图，以及蓄热部分入口、出口的平均温度、速度、压强值和燃烧部分入口、出口的平均温度、速度、压强值和废气成分均值；
步骤4.2、利用式(5)计算模型的压降:
P＝Pi-Po (5)
式中，P为压降，单位：Pa；Pi为入口平均压强，单位：Pa；Po为出口平均压强，单位：Pa；
利用式(6)计算模型的热效率:
Figure FDA0003024114350000011
式中，T为燃烧室温度，单位：℃；ti为废气入口温度，单位：℃；to为净化气出口温度，单位：℃；
利用式(7)计算模型的废气净化率:
Figure FDA0003024114350000021
式中，
Figure FDA0003024114350000022
为废气单一成分的净化率；ci为废气单一成分的入口平均值，单位：kg/m3；co为废气单一成分的出口平均值，单位：kg/m3；
步骤5、对VOC处理设备蓄热部分进行结构优化，对VOC处理设备燃烧部分进行参数优化。
2.根据权利要求1所述的印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、对VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分模型进行网格划分，网格类型采用Tet/Hybrid体网格，网格尺寸采用1～40mm；
步骤2.2、分别设置VOC处理设备蓄热部分和燃烧部分物理模型的边界条件类型为速度入口和压力出口；
步骤2.3、利用式(1)计算蓄热部分和燃烧部分物理模型的雷诺数，依据雷诺数判断标准确定蓄热部分和燃烧部分物理模型的流动类型；
Figure FDA0003024114350000023
其中，Re为雷诺数；ρ为流体的密度，单位：kg/m3；V为流体的平均流速，单位：m/s；L为圆管直径，非圆管流动时为当量直径，单位：m；μ为流体的粘性系数。
3.根据权利要求1所述的印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、对蓄热式VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分均设置基本能量模型和湍流模型且遵循热力学的基本规律，包括：
质量守恒方程
Figure FDA0003024114350000031
动量守恒方程
Figure FDA0003024114350000032
能量守恒方程
Figure FDA0003024114350000033
式中：ρ为流体密度；u，v和w分别为流体在x，y和z方向上的速度；F为质量力；
Figure FDA0003024114350000034
为哈密算子；P为应力张量；dv/dt为流体速度的变化率；T为流体的热力学温度；K为流体的导热系数；Cv为流体的比热容；Φ为流体的粘性耗散函数；
步骤3.2、对蓄热式VOC处理设备的蓄热部分设置材料和边界条件；
步骤3.3、对蓄热式VOC处理设备的燃烧部分设置燃烧模型和边界条件；
步骤3.4、分别对蓄热式VOC处理设备的蓄热部分和燃烧部分进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算。
4.根据权利要求1所述的印刷包装行业VOC处理设备性能的优化方法，其特征在于，所述的步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1、对不同结构类型的蓄热部分物理模型进行换热模拟计算，得到不同结构类型下蓄热部分物理模型的压降和热效率，在满足蓄热部分物理模型热效率达到要求的基础上，确定最小压降值对应的结构类型为最优结构；
步骤5.2、对燃烧部分物理模型进行不同初始参数的燃烧模拟计算，得到不同入口废气成分和初始温度下燃烧部分物理模型的废气净化率，并确定合理的初始参数设置范围。
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