一、介绍
蓄热式氧化炉，简称为 RTO（Regenerative Thermal Oxidizer），是一种高效的挥发性有机化合物（VOCs）废气治理设备，特点是具有2个或多个陶瓷填充的蓄热室，通过阀门的切换完成蓄热体的蓄热和放热过程，其热回收率可以达到95%，净化效率高达99%。RTO的主体结构主要由三个主要部分组成：燃烧室、蓄热室和切换阀。RTO常见形式有：二室RTO、三室RTO，根据需求还可设计成五室RTO、七室RTO等结构形式。
RTO的燃烧室一般为矩形腔室结构，壳体由薄钢板焊接而成，外部焊接加强筋增加壳体的刚度和强度。在进行设备设计时，除根据工艺参数计算确定燃烧室几何尺寸外还需要根据工作压力等工作条件进行结构强度和刚度的校核，以确保设备能够长期安全可靠的运行。目前，国内外还没有针对RTO设备结构强度和刚度的设计规范或者行业标准，在进行RTO设备的结构设计时除根据行业经验进行设计外，还可以采用有限元法对结构的静强度和刚度进行校核计算。
本文以三室RTO的燃烧室做为算例，对其强度和刚度进行有限元校核计算。
二、有限元模型
三室RTO燃烧室的外形及尺寸如图1所示，长度约8800mm，宽度约2600mm，高度约3600mm，底部有三个连接蓄热室的接口法兰。燃烧室设计压力2000Pa（负压），外表面温度不大于60℃。壳体的板厚6mm，材质为Q235B，加强筋为5#槽钢，材质为Q235B，Q235B的屈服强度为235MPa。
燃烧室由薄板件组成，这种结构宜采用壳单元进行网格划分，虽然前期对模型进行抽中面环节较为费时费力，但是壳单元相对实体单元可以大大减少单元和节点数量，极大提高计算速度，并且对于板件，壳单元的计算精度高于实体单元。
如图2所示，燃烧室模型全部采用四边形壳单元进行网格划分，壳体网格尺寸80mm，加强筋网格尺寸不大于15mm，节点数量80583，单元数量71748。
约束及载荷条件如图3所示，燃烧室底部的三个蓄热室接口法兰面采用位移约束其三个方向的自由度，在燃烧室壳体外表面（包括各开孔处）施加2000Pa压力载荷，并施加全局重力加速度9.8m/s2。本例中省略了保温层及其它附件的质量，并且没有考虑积雪和覆冰、风荷载、吊装荷载以及地震荷载等的影响。
三、结果及讨论
燃烧室的变形云图如图4所示，最大位变形量18.8mm，位于燃烧室的后侧壁。燃烧室前侧壁最大变形量15.9mm，略小于后侧壁，两个侧壁最大变形处位置也不相同。由于本例中的壳体较薄且压力载荷较小，虽然前侧壁有两个较大开孔，但是其突出的法兰结构一定程度上增加了前侧壁的刚度，所以前侧壁较后侧壁变形小。值得注意的是，此种情况不具备普遍性，很多情况下开孔也可能降低局部刚度。
燃烧室的应力云图如图5~图6所示，壳体薄板最大应力值69.4MPa，远小于Q235B的屈服强度235MPa。加强筋处的应力值较高，尤其是纵向加强筋，最大应力位于后侧面中间两根纵向加强筋的底部，其最大应力值为219.7MPa，小于Q235B的屈服强度235MPa，且有一定安全裕量。
纵向加强筋底部的应力值比其顶部位置的应力值大，主要原因是加强筋底部与蓄热室安装法兰处焊接在一起，而此法兰面在有限元计算中施加了位移约束，完全约束其自由度，增大了其刚度，而加强筋顶部虽然与燃烧室顶部的加强筋焊在一起，但是此处的位移并没有完全限制，故此处的刚度较底部小。需要注意的是，加强筋顶部的连接处弯矩较大，局部区域应力值接近150MPa，因此此处焊缝应焊透且保证焊接质量。另外，纵向加强筋的中间应力值也较大，局部区域应力值接近130MPa，但是相比较于端部要小。
通过对比加强筋的应力值可以明显看出，纵向加强筋应力值要远大于横向加强筋。其原因是加强筋可以看做是简支梁结构，纵向加强筋跨度远小于横向加强筋跨度，在相近挠度的条件下，跨距较短的纵向加强筋的端部和中间位置的弯曲应力大于横向加强筋。故在布置加强筋时，应保证纵向加强筋为整根结构，而横向加强筋在交点处进行拼接，且纵向加强筋端部应保证焊接质量。
本文中结构强度的判别准则是结构的最大应力值不大于材料的屈服强度，且保留一定裕度。如果按照最大应力值不大于材料的许用应力来进行校核，即
这里的安全系数n取1.5，那么纵向加强筋的底部区域应力值（最大219.7MPa）大于许用应力156.7MPa，部分加强筋结构强度是不合格的，应采取措施加强结构强度。此类情况是在机械结构设计中经常遇到，往往可以根据材料的特点和结构的重要性取不同的安全系数，一般需要结合工程经验并考虑成本及其它设计要求进行综合判断。
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二零二四年 十一月
