扭曲管是一种新型高效强化传热管型,扭曲管换热器是在扭曲管的基础上研制的一种新型强化换热器。除强化传热外,扭曲管换热器还具有减少结垢,管束间自支撑,无折流板元件,节省空间,同时能克服诱导振动的特点,在石油、化工行业中具有广阔的应用前景。但由于问世时间不长,因此各方面的研究还不充分,特别是在其机械强度方面的研究鲜有报道,这也在一定程度下限制了扭曲管换热器的工业应用。本论文以扭曲管及其换热器为研究对象,就扭曲管刚度、传热性能以及扭曲管换热器的设计,开展以下研究：1、采用有限元分析方法,对扭曲管的轴向刚度进行数值模拟,并考察扭曲比和导程等参数的影响。结果发现扭曲管轴向刚度随扭曲比的增大而降低；导程的增大会提高扭曲管的轴向刚度；论文还给出了基于直管的扭曲管刚度削弱系数关联式,并且通过拉伸试验方法对关联式进行了验证,扭曲管刚度削弱系数关联式的提出有助于扭曲管换热器的工程设计。2、扭曲管是一种非圆截面换热管,若将其当作普通直管并按照GB151-1999《管壳式换热器》来进行设计计算,严格讲是不合理的。论文基于扭曲管轴向刚度削弱系数关联式,提出了当量弹性模量法进行扭曲管换热器设计,即根据刚度相等的原则将扭曲管等效为相同规格但弹性模量不同的普通直管,从而利用常规设计规范GB151-1999进行管板设计。本论文还以一台扭曲管换热器为例,应用当量弹性模量法进行管板强度计算,并就各项应力随扭曲管刚度的变化进行了分析。研究表明,当量弹性模量法简单合理,工程应用方便。3、采用有限元分析软件ANSYS,对扭曲管换热器的管板在三种工况下的应力进行计算,分析了扭曲管轴向刚度削弱系数对管板应力强度及扭曲管轴向应力的影响。结果表明,扭曲管的轴向变形补偿能力优于普通直管,可以降低在温差载荷作用下管板中的应力,但会提高压力作用下的管板应力。在压力载荷作用下,扭曲管上的平均应力大小与普通直管差别不大,但扭曲管的轴向应力在管子横截面上的分布不均匀,局部的轴向应力远远高于平均应力水平,因此扭曲管的抗疲劳和应力腐蚀开裂的能力不如直管。不同厚度的管板受扭曲管管束轴向刚度的影响不同,当管板厚度较小时,扭曲管管束轴向刚度的影响较大。4、采用计算流体动力学分析软件FLUENT对扭曲管套管换热器的管程和壳程流体进行模拟,对比了扭曲管套管换热器与普通直管套管换热器的管程及壳程的流场分布、传热系数和压力降结果,并分析了扭曲比和导程对传热效果和流阻性能的影响。结果表明,扭曲管的扭曲程度越大,传热系数也越大,同时压力降也越大,因此,在选择扭曲管时要综合考虑其对传热系数和压力降的影响。本论文根据模拟结果拟合了扭曲管套管换热器相对于直管套管换热器的管内传热强化系数和压力损失系数的关系式,有助于扭曲管换热器的工艺计算。5、根据本论文中拟合得到的扭曲管换热器管、壳程传热强化系数及压力损失系数的关联式,使用Microsoft Visual Studio2010软件开发出扭曲管换热器工艺计算软件,便于扭曲管换热器的工程设计和应用。