基于ANSYS Workbench的RTO蓄热室优化设计

陈 磊，刘世青

（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730000；2.甘肃省纤维检验局，甘肃兰州 730000）

蓄热式热力氧化器（以下称RTO）是目前主流的有机废气热力燃烧净化装置，它包含一种蓄热式换热器结构，在蓄热式换热器内部装载有蓄热材料，气体交替通过蓄热材料，并将热量暂时储存在蓄热材料中。一般的RTO装置通常至少需要两室蓄热室，蓄热室截面一般是方形，在其上部填充蓄热材料，蓄热材料由钢格栅支撑，钢格栅焊接在蓄热室侧壁横梁上。废气中含有腐蚀性气体，蓄热室整体采用S30408不锈钢材料或2205双向不锈钢材料。本文利用ANSYS Workbench软件Static Structural模块对RTO蓄热室进行静力学稳态分析，根据载荷分布情况，在保证安全性的前提下对应力集中点进行结构优化，以节省材料，降低设备造价，提高设备性价比。

1 蓄热室结构有限元分析

1.1 建立三维模型

本文使用Solidworks 软件对蓄热室进行三维建模，后期转换ANSYS Workbench 可识别的.x_t格式进行加载。蓄热室外尺寸7 584mm×2 692mm×2 4902mm，壁厚4mm，三个蓄热室，三维模型如图1所示。

图1 蓄热室三维图

1.2 蓄热室的静态力学分析

进入ANSYS Workbench界面，加载Static Structural模块对RTO蓄热室进行静态力学稳态分析。前处理阶段包括材料属性定义、建立模型、网格划分以及施加边界条件及载荷。

1.2.1 蓄热室的材料属性及划分网格

蓄热室箱体外壳、强筋及横梁使用2205不锈钢材料，填料支撑结构采用304不锈钢。在Engineering Data新建这两种材料的属性。在Geometry加载蓄热室三维模型。进入Static Structural-Mechanical模块进行网格划分。选择Automatic Method 划分方法，指定合适的划分尺寸，对箱体外壳及填料支撑结构进行网格划分，如图2所示。

1.3 边界条件和载荷

根据实际工况在蓄热室内部每个填料支撑结构上表面都施加垂直向下的稳态载荷，大小为5 7446N，同时考虑支撑结构的自重。对箱体底部施加固定约束，如图3所示。

图3 蓄热室载荷分布状态图

1.4 结果分析

以最大主应力（Maximum Principal）为输出量，得到蓄热室结构的应力分布云图，如图4所示。

图4 蓄热室最大主应力分布图

最大主应力出现在H型钢横梁中间下方，大小为17.5MPa，数值远小于S30408材料的屈服应力值205MPa，理论上设备结构处在安全范围内。但从节省材料的角度考虑，是否可将横梁取消，将格栅支撑结构焊接在隔板上，同时又不对结构安全造成影响，需要对新结构进行静态力学分析。

2 蓄热室结构优化

将格栅支撑结构直接焊接到室间隔板上，取消H型钢横梁，对蓄热室进行三维建模，如图5所示。

图5 无横梁结构的蓄热室

将模型加载到ANSYS Workbench 的Static Structural模块中，对模型依次进行网格划分、加载载荷和约束，以最大主应力（Maximum Principal）为输出量，得到优化后的蓄热室结构应力分布云图，如图6所示。最大主应力出现在格栅支撑结构与室间隔板的焊接面上，大小为9.3MPa，考虑焊接结构强度应不小于母材抗拉强度的最小值，上述数值完全满足要求。

图6 优化后的蓄热室结构应力分布云图

3 结束语

RTO蓄热室作为RTO装置的关键部件，本次优化的目的是对原有设计进行应力分析，在保证结构的安全性和可靠性的前提下尽可能地减少高价值材料的使用量。本文最终在满足设计要求的条件下减少2205不锈钢材料455kg。