管壳式换热器具有结构简单、技术成熟、清洗方便、适用性广等特点,所以其在制冷、石油化工、能源、航空等领域得到广泛应用。在能源短缺及价格飙升的现状下,最大限度地利用和回收热能,及强化传热的问题逐渐备受关注。蒸汽冷凝是一种相变传热过程,往往较无相变过程的传热效率更高,因此凝结传热成为了一种研究的趋势。传统的管壳式换热器大多采用圆管和单弓形折流板,此种结构换热器制造简单,适应性强,但是壳程流阻大,传热效果不理想。为了提高管壳式换热器的综合性能,本文采用水—水蒸汽传热介质,研究了水平圆管、螺旋波纹管及横纹管外的冷凝传热性能,并根据实验数据给出边界条件,利用计算流体力学软件Fluent对管壳式换热器的管程和壳程进行了数值模拟。本文主要研究内容及结论如下:(1)分别研究了管程和壳程流体流量对冷凝传热的影响,当折流元件不同时,各管型的总传热系数和冷凝传热膜系数随管程冷却水流量变化的规律有所不同;而当壳程热流密度增大时,即蒸汽流量增加时,各管型的总传热系数和冷凝传热膜系数都随之增大。(2)研究了折流元件的间距对传热效果的影响,结果表明:圆管和横纹管在折流栅间距为100mm时传热效果最佳,而螺旋波纹管对应的折流栅间距为200mm。(3)对比研究了不同折流元件和管型对换热器冷凝传热效果的影响,结果表明:折流栅换热器的传热性能明显优于折流板换热器,但对于不同的换热管,传热性能提高的程度不同。当折流元件间距为200mm时,螺旋波纹管折流栅换热器传热性能提高的最大,总传热系数最大可提高50%,冷凝传热膜系数最大可提高142%。(4)水蒸汽从一端进入换热器的传热效果优于从两端进入的情况,对于不同的换热管,优异程度不同,而螺旋波纹管的优异度最明显。(5)横纹管在折流栅间距为100mm时的传热效果是所有情况中最好的。(6)横纹管折流栅换热器(换热器Ⅰ)、螺旋波纹管折流栅换热器(换热器Ⅱ)的传热效果都比传统的圆管折流板换热器(换热器Ⅲ)好。相对于换热器Ⅲ来说,换热器Ⅰ和换热器Ⅱ的总传热系数最大可分别提高114%、69%。(7)采用Fluent软件对管壳式换热器的管程和壳程进行了三维数值模拟,分析了管程单元模型和实体模型的温度场、速度场、湍动强度等,模拟值和实验值吻合度较好。