模块化设计及其在板式换热机组设计中的应用
王頠，白刚刚，冯旭，杨刚，杨国庆
（兰州兰石换热设备有限责任公司， 甘肃 兰州 730314）
[摘  要] 在三维CAD软件日益普及的情况下，模块化设计方法应用越来越广。本文介绍了模块化的概念及进行板式换热机组模块化设计的过程及方法，如建立标准件模块、配套件模块、自制件模块及利用“自下而上”的设计方法进行板式换热机组总装设计。模块化的设计理念符合装备制造业的发展需要，对其进行推广将对企业产生众多收益。[关键词] 模块化；模块化设计；板式换热机组；自下而上；设计；应用
作者简介：王頠（1979—），男，甘肃天水人，本科学历，工程
师。现主要从事板式热交换器的产品研发设计工作。
我国加入WTO 以来，国内制造业迎来了巨大的市场机遇，同时也面临着巨大的市场挑战，竞争日益激烈。如何优化产品业务流程、缩短产品上市时间、提高产品质量、降低产品成本、满足客户的众多个性化需求，已成为制约制造业发展的主要问题。平衡产品的标准化、通用化、系列化与定制化、柔性化之间的矛盾，将成为赢得竞争的关键能力。模块化产品设计和生产，可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置，是解决定制化生产和批量化生产的矛盾的一条出路。
1 模块及模块化的概念
模块是一组具有同一功能和结合要素（指连接部位的形状、尺寸、连接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。模块是模块化设计和制造的功能单元，它具有独立性、互换性、通用性三大特征。
模块化是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想。在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能或功能相同但性能不同、规格不同的产品，这种设计方法称为模块化设计（Block-based design ）。
模块化设计的目的是以少变应对多变，以尽可能少的投入生产出尽可能多的产品，以最为经济的方法满足各种客户要求。模块化设计已从理念转变为较成熟的设计方法，它可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；还可以减少或消除对环境的
不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。
模块化是实现以大批量的效益进行单件定制生产的一种有效方法。2 板式换热机组简介
换热机组（Heat exchanger unit ）是由换热器、循环泵、补水泵、电控柜、过滤器、底座、管路、阀门
、仪表等组成，可加装自动定压补水装置、水处理设备、水箱、水泵变频控制、温控阀、远程通讯控制等设备，从而构成一个完整的热交换站。根据换热器结构形式的不同，可分为多种不同的换热机组，其中最常用的是板式换热机组，其换热器为板式热交换器。
板式换热机组的工作原理为：热水从板式换热机组的一次侧入口进入板式换热器进行热交换后，从板式换热机组一次侧出口流出；二次水经过过滤除污，经由循环进入换热器，被蒸汽或高温水加热后，生产出与采暖、空调、地板采暖或生活用水等不同温度的热水，以满足用户的需求。蒸汽或高温水进入板式换热器后，变成凝结水或高温回水返回热源，进行一、二次供热系统的回路循环。补水泵将软水打入系统中以保持系统压力的恒定。
板式换热机组具有布局合理，结构紧凑，占地面积小，节省土建投资，智能化，自动化等优点，可实现无人值守，增容方便，易于操作，安装维护简单，运行可靠，被广泛应用于集中供
图2  某板式换热机组的组成及三维模型
热、中央空调、生活用水、企业生产工艺用水等系统中。
3 板式换热机组的组成及设计要点3.1 板式换热机组的组成
模块化设计的优点板式换热机组一般由板式热交换器、一次供水管线、一次回水管线、二次供水管线、二次回水管线、补
水管线、泄压管线、底座等主要部件组成，见图2
。
板式换热机组根据用户要求，可科学、合理、优化、灵活地配置，最大限度地满足客户的个性化要求。
不同应用场所的板式换热机组，其结构、布局、组成、控制方式等均不相同，是典型的个性化产品，很难实现全面的通用化及系列化。但板式换热机组的结构并不复杂，主要由标准件、客户指定的泵、阀门、过滤器、仪表及管线等组成。在进行设计时，因其组成的零部件数量众多，从而造成产品设计周期较长。3.2 板式换热机组设计要点
在设计板式换热机组时，首先要确定机组最终方案及其配置表、原理图和布置简图；其次核对配置表一、二次侧口径、阀门规格和数量与原理图是否一致；最后设计并确定机组最终尺寸，长度方向主要要考虑板式换热器之间距、水泵和板换之间距、水泵和水泵之间距、水泵和旁通之间距、补水及泄压系统的预留尺寸、仪表的安全尺寸等；宽度方向主要考虑板式换热器长度、板换与总管连接管线尺寸等。
板式换热机组的设计要点可归纳为：“定形式、控间距；好安装、便发货、利检修；始于板换，终于板换”。
4 模块化在板式换热机组设计中的应用
在利用三维CAD 设计软件进行板式换热机组设计前，要综合考虑企业信息化建设中的数据导入、信息提取等后续工作，并建立企业模板库、企业标准件库、企业通用件库以及板式换热机组所用到的客户指定的泵、阀门、过滤器、仪表等，并建立相对准确的三维模型库，形成企业的三维CAD 设计平台，并具备一定的三维CAD 使用基础。
4.1 标准件模块及应用
板式换热机组设计时，因法兰、阀门等连接部位较多，用到的标准紧固件很多，而进行三维CAD 设计时，如果不能装配足够的标准紧固件，后续再出工程图、生成明细表时将不能得到准确数量的标准件，不能给物资采购部门提供正确、准确的BOM 表。而一个螺栓、一个垫圈、一个螺母地进行装配，则需要大量的设计时间。为此，将经常用到的螺栓、双头螺柱，用SolidWorks 配置管理功能的方法做成很多个配置，每个配置填写正确的属性，以方便工程图明细表及BOM 表的生成。按设计中常用到的组合方式：螺栓+平垫圈、螺栓+平垫圈+螺母、螺栓+平垫圈+弹簧垫圈+螺母、双头螺柱+平垫圈+螺母，建立装配体，并使之柔性配合，方便设计时调用。
图4  循环泵底座、补水泵底座等模块
图3  螺栓模块及双头螺柱模块
图3  压力表、压力传感器、温度计、温度传感器、排污阀等模块
4.2 配套件模块及应用
板式换热机组中用到的仪器仪表很多，有压力表、压力传感器、温度计、温度传感器、电磁阀、安全阀、流量计、电动调节阀、压力开关
等。根据不同厂家的连接方式的不同，为方便仪器仪表的安装，设计了企业通用件—接头，涵盖了企业常用的仪器仪表的连接方式。根据板式换热机组中应用组合方式的不同，我们设计了部分
配套件模块，方便设计时调用。
4.3 自制件模块及应用
对循环泵、补水泵的底座，按其组成方式，也可以设计成模块，在具体设计时直接调用到总装配体
中，根据实际的尺寸，可进行快速修改，使之完全匹配所设计的板式换热机组。
图5  一次供水管线、二次回水管线及补水管线模型
4.4 从部件到总装的设计
目前“自顶向下（Top-Down ）”的设计方
法比较流行，但对板式换热机组而言，“自下而上”的传统设计方法更为合适。根据项目的配置
表、原理图和布置简图，将各大部件的模型先组装建立，再以板式热交换器为始，依次装配各大部件，形成板式换热机组的总装，根据不干涉、紧凑、满足使用要求等原则，对各大部件的零部
件进行调整、修改，最终定型。
模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用。大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性，大大缩短设计及制造周期，加快产品上市时间，缩短服务周期，降低售后服务成本。模块的不同组合易于产品的配置和变型设计，可满足用户的多样化需求。5 总结
随着我国装备制造业的快速发展，产品种类急剧增多且结构日趋复杂，只有不断缩短产品设计周期，才能满足市场竞争的需要。模块化的设计思想完全符合机械产品快速设计、降本增效的理念，符合装备制造业的发展需要，是机械产品设计的发展方向，有较高的实用价值和经济价值。
收稿日期：2018-09-24；修回日期：2018-11-12
◆参考文献
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