根據(jù)冀東油田唐海礦區(qū)鍋爐房的改造要求，對 使用的大功率一體式真空供暖鍋爐的換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn) 行優(yōu)選設(shè)計(jì)。換熱器被加熱介質(zhì)為自來水，該真空 鍋爐功率為14 MW，根據(jù)熱工計(jì)算，得出與鍋爐匹 配的換熱器的換熱管尺寸為：外徑 19 mm，長 7 670 mm，數(shù)量初步確定為1 200根；螺紋煙管外 徑60 mm，長6 400 mm，數(shù)量為240根；波紋爐膽 內(nèi)徑 1 800 mm，長 6 400 mm；換熱器管程設(shè)計(jì)壓 力1.0 MPa，以水壓試驗(yàn)1.25 MPa作為計(jì)算壓力。 在換熱管、爐膽、煙管尺寸大小和長度確定 后，換熱管的布置方式及換熱器結(jié)構(gòu)形式對鍋爐直 徑大小有決定性影響，所以要進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu) 選設(shè)計(jì)。



基于小體積的目標(biāo)并參考小型加熱爐用換熱器 的通用結(jié)構(gòu)提出了五種方案。
（1）方案一：單圓形法蘭換熱器。換熱器的法 蘭采用常見的單圓形法蘭結(jié)構(gòu)，換熱器截面周圍空 余面積較大，鍋爐筒體直徑4 620 mm。
（2）方案二：雙圓形法蘭換熱器。設(shè)置兩個(gè)圓 形法蘭，即兩個(gè)換熱器共同放置在一個(gè)筒體內(nèi)，換 熱器截面周圍空余面積較大，但比方案一小，鍋爐 筒體直徑3 600 mm，筒體壁厚初算需22 mm。
（3）方案三：矩形法蘭換熱器。換熱器的外形 為矩形，即法蘭結(jié)構(gòu)形式為矩形，鍋爐筒體直徑 3 900 mm，換熱器截面周圍空余面積較大。
（4）方案四：月牙形法蘭換熱器。依照筒體的 弧形設(shè)計(jì)出換熱器法蘭的結(jié)構(gòu)形式，因此，換熱器 的外形也帶弧形，鍋爐筒體直徑3 350 mm，筒體壁厚初算需18 mm，換熱器截面周圍空余面積得到較 充分的利用。
（5）方案五：異形法蘭結(jié)構(gòu)換熱器。同樣依照 筒體弧形創(chuàng)新設(shè)計(jì)出此結(jié)構(gòu)形式，因此，換熱器的 外形也是異形的，鍋爐筒體直徑3 350 mm，筒體壁 厚初算需18 mm，換熱器截面周圍空余面積得到較 充分的利用。

（1）筒體直徑對比。對比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以看 出，單圓形法蘭結(jié)構(gòu)換熱器的筒體直徑最大，月牙 形法蘭結(jié)構(gòu)與異形法蘭結(jié)構(gòu)換熱器的筒體直徑最 小，且都為3 350 mm。


（2）鍋爐重量對比。計(jì)算每一種方案最后生產(chǎn) 的鍋爐的重量（預(yù)計(jì)）可以發(fā)現(xiàn)，由方案一生產(chǎn)的 鍋爐最重，超過 70 t，而方案五生產(chǎn)的鍋爐最輕， 僅約46 t。
（3）優(yōu)、缺點(diǎn)對比。依據(jù)各方案換熱器所生產(chǎn) 的鍋爐優(yōu)、缺點(diǎn)對比分析見表1。從表1對比可以 看出，前三種方案都可以從標(biāo)準(zhǔn)中找到例子來參 考，即這些結(jié)構(gòu)都是常見且成熟的，但對于本項(xiàng)目 來說不可取，因?yàn)樗鼈兊娜秉c(diǎn)是明確的，與本項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)背道而馳。

利用 Solidworks 軟件對異形法蘭進(jìn)行實(shí)體建 模，然后進(jìn)入 Solidworks Simulation 建立新算例， 為法蘭選定的材料為普通碳鋼，夾具為螺栓孔，在 法蘭內(nèi)壁面施加1.25 MPa的壓力，網(wǎng)格化后，運(yùn)行 算例，得到異型法蘭應(yīng)力云圖，見圖2。 通過軟件有限元模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，異型 法蘭處于1.25 MPa的內(nèi)部壓力時(shí)，最大應(yīng)力區(qū)在底 部直邊中間部分，但最大應(yīng)力也低于材料的許用應(yīng) 力，因此所設(shè)計(jì)的異形法蘭結(jié)構(gòu)是滿足強(qiáng)度要求的。

（1）由于采用了異型法蘭的結(jié)構(gòu)，使該大功率 真空供暖鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、安裝方便、 節(jié)約材料，不僅實(shí)現(xiàn)了舊鍋爐原位置安裝，而且滿足了現(xiàn)場空間小的安裝要求。
（2）經(jīng)過一個(gè)采暖期的運(yùn)行，該異型法蘭未出 現(xiàn)強(qiáng)度、剛度失效現(xiàn)象，證明該異型法蘭的結(jié)構(gòu)方 案是可行的。