基于ANSYS Workbench的RTO蓄熱室優化設計

陳 磊，劉世青

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省纖維檢驗局，甘肅蘭州 730000）

蓄熱式熱力氧化器（以下稱RTO）是目前主流的有機廢氣熱力燃燒凈化裝置，它包含一種蓄熱式換熱器結構，在蓄熱式換熱器內部裝載有蓄熱材料，氣體交替通過蓄熱材料，并將熱量暫時儲存在蓄熱材料中。一般的RTO裝置通常至少需要兩室蓄熱室，蓄熱室截面一般是方形，在其上部填充蓄熱材料，蓄熱材料由鋼格柵支撐，鋼格柵焊接在蓄熱室側壁橫梁上。廢氣中含有腐蝕性氣體，蓄熱室整體采用S30408不銹鋼材料或2205雙向不銹鋼材料。本文利用ANSYS Workbench軟件Static Structural模塊對RTO蓄熱室進行靜力學穩態分析，根據載荷分布情況，在保證安全性的前提下對應力集中點進行結構優化，以節省材料，降低設備造價，提高設備性價比。

1 蓄熱室結構有限元分析

1.1 建立三維模型

本文使用Solidworks 軟件對蓄熱室進行三維建模，后期轉換ANSYS Workbench 可識別的.x_t格式進行加載。蓄熱室外尺寸7 584mm×2 692mm×2 4902mm，壁厚4mm，三個蓄熱室，三維模型如圖1所示。

圖1 蓄熱室三維圖

1.2 蓄熱室的靜態力學分析

進入ANSYS Workbench界面，加載Static Structural模塊對RTO蓄熱室進行靜態力學穩態分析。前處理階段包括材料屬性定義、建立模型、網格劃分以及施加邊界條件及載荷。

1.2.1 蓄熱室的材料屬性及劃分網格

蓄熱室箱體外殼、強筋及橫梁使用2205不銹鋼材料，填料支撐結構采用304不銹鋼。在Engineering Data新建這兩種材料的屬性。在Geometry加載蓄熱室三維模型。進入Static Structural-Mechanical模塊進行網格劃分。選擇Automatic Method 劃分方法，指定合適的劃分尺寸，對箱體外殼及填料支撐結構進行網格劃分，如圖2所示。

1.3 邊界條件和載荷

根據實際工況在蓄熱室內部每個填料支撐結構上表面都施加垂直向下的穩態載荷，大小為5 7446N，同時考慮支撐結構的自重。對箱體底部施加固定約束，如圖3所示。

圖3 蓄熱室載荷分布狀態圖

1.4 結果分析

以最大主應力（Maximum Principal）為輸出量，得到蓄熱室結構的應力分布云圖，如圖4所示。

圖4 蓄熱室最大主應力分布圖

最大主應力出現在H型鋼橫梁中間下方，大小為17.5MPa，數值遠小于S30408材料的屈服應力值205MPa，理論上設備結構處在安全范圍內。但從節省材料的角度考慮，是否可將橫梁取消，將格柵支撐結構焊接在隔板上，同時又不對結構安全造成影響，需要對新結構進行靜態力學分析。

2 蓄熱室結構優化

將格柵支撐結構直接焊接到室間隔板上，取消H型鋼橫梁，對蓄熱室進行三維建模，如圖5所示。

圖5 無橫梁結構的蓄熱室

將模型加載到ANSYS Workbench 的Static Structural模塊中，對模型依次進行網格劃分、加載載荷和約束，以最大主應力（Maximum Principal）為輸出量，得到優化后的蓄熱室結構應力分布云圖，如圖6所示。最大主應力出現在格柵支撐結構與室間隔板的焊接面上，大小為9.3MPa，考慮焊接結構強度應不小于母材抗拉強度的最小值，上述數值完全滿足要求。

圖6 優化后的蓄熱室結構應力分布云圖

3 結束語

RTO蓄熱室作為RTO裝置的關鍵部件，本次優化的目的是對原有設計進行應力分析，在保證結構的安全性和可靠性的前提下盡可能地減少高價值材料的使用量。本文最終在滿足設計要求的條件下減少2205不銹鋼材料455kg。