换热器是热力过程中的关键设备,广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机械、交通、航空与航天等领域。换热器不仅是为了满足工艺的特定需要,而且也是回收能量、节约能量的有效装置,在回收利用余、废热能方面发挥着重大作用。70年代的世界能源危机,有力地促进了强化传热技术的发展。为了节约能源降低消耗,提高工业生产经济效益,要求开发适用于不同工业过程的高性能换热设备。螺旋扭曲扁管换热器正是适应现代化生产的需要,在传统管壳式换热器的基础上开发出来的一种新型高效节能的换热器。本文主要采用数值模拟和试验研究的方法对螺旋扭曲扁管换热器进行系统的研究,主要的研究工作如下:(1)将对流传热的场协同理论和流路分析法应用于螺旋扭曲扁管换热器管、壳程传热与流阻特性研究,并和弓形折流板换热器相比较。表明螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程流体均产生以旋转为主要特征的复杂流动,获得较强的旋转扰动,从而较大程度地强化了传热过程。因为壳程没有折流板,壳程不存在流动死区,壳程的流动阻力较小,同时也不易结垢。换热管之间保持点接触而且壳程流体主要作纵向流动,能很好地克服诱导振动,提高了其操作的可靠性。(2)利用数值模拟的方法,研究了流体流动状态、物性参数和螺旋扭曲扁管几何参数对螺旋扭曲扁管换热器管、壳程传热与流阻特性的影响,表明螺旋扭曲扁管这种强化传热元件的强化传热效果和特点。(3)利用数值模拟的方法研究了螺旋扭曲扁管的螺旋方向对其管程强化传热性能的影响。比较了螺旋扭曲扁管换热器和其他常用管壳式换热器壳程传热与流阻特性,表明螺旋扭曲扁管换热器的强化传热优势和特点。(4)搭建换热器性能测试试验平台,制造多台螺旋扭曲扁管换热器模型进行试验研究,并和弓形折流板换热器相比较,得到螺旋扭曲扁管的几何尺寸、流体流动状态对螺旋扭曲扁管换热器管、壳程传热与流阻特性的影响,得出螺旋扭曲扁管换热器相对于传统管壳式换热器的强化传热优势和特点,验证数值模拟所得出的结果和规律。(5)根据试验结果,通过多元数据回归提出反映螺旋扭曲扁管换热器管、壳程传热与流阻特性的准则关系式,具有一定的实用价值和工程意义,可以用来指