换热器的传热管长度L一般是由生产工艺条件决定,而换热器的壳体直径是由生产能力决定,随着工业生产装置的大型化和超大型化的发展,换热器直径D不断增大,长径比(L/D)将减小, L/D的减小将导致壳程流场分布严重不均,压降急剧增加,传热与流阻性能显著恶化等一系列关键技术瓶颈。本研究提出了构建并流多通道进出口结构和在进出口安装流体分布挡板的办法,从而达到解决问题的目的。通过采用多孔介质—分布阻力模型,对大型轴流管壳式换热器壳程的流动与传热性能进行数值仿真研究。在恒定管长和管外壁温条件下,系统地研究了L/D和Re对壳程流场的分布、传热与阻力性能、以及综合性能的影响。结果表明,在相同的Re下,随着L/D的减小,壳程流场分布不均现象表现异常突出,阻力损失急剧增大,平均Nu有小幅增加,但综合性能因子η亦不断减小,尤其是L/D≤2.0时,各项性能的恶化显得特别突出。采用以上相同的方法,对并流多通道进出口轴流管壳式换热器进行数值模拟研究,研究不同进出口通道数量M对流场分布、传热与流阻性能,以及换热器综合性能的影响。结果表明,在相同的Re和L/D下,随着M的增加,壳程流场分布不均现象得到有效的遏制,压降将急剧降低,最大降幅达到50%以上,平均表面Nu有一定的增加,同时换热器的综合性能因子η随M的增大而增大。通过能量和物质平衡原理,采用阻力分析的方法,建立了进出口流体分布挡板的结构优化数学模型。并且在模型的基础上,用实验与数值相结合的方法对分布挡板进行了研究,研究了不同管排数N、不同分布挡板的流场与阻力性能的变化,并揭示了壳程流场真实分布规律。结果表明,分布挡板能够有效促进壳程流场的二次分布,特别对N=11时效果更加突出,而且挡板1的作用相对于挡板2和挡板3更加有效;同样表明,在相同的条件下(N、Re),无挡板时阻力损失最小,挡板1的阻力损失最大,比无挡板时增加10～15%,而挡板2与挡板3比较接近,高出无挡板6～8%左右。研究结果还表明,相同的Re和挡板下,压降随着N的增加而急剧增大, ? p与N的关系为: ?p∝N2.1~2.2。论文中还创造性提出了一种适用于气体在换热器管束之间的局部表面传热性能实验方法,研究表明该方法简单、方便、可靠。应用该方法对壳程局部表面传热性能进行研究,揭示了壳程局部表面Nu真实分布规律,并给出了合理的机理分析。结合实验与数值研究,结果表明,分布挡板的存在不但能够促进壳程局部表面Nu分布均匀,而且能够有效强化壳程整体表面传热性能,在N=11时的效果表现最为明显,而N=7时效果不太显著。比较各种挡板,挡板1的效果更加明显,其平均表面Nu比无挡板时提高8～12%,而挡板2和挡板3比较接近,比无挡板提高6～8%左右。综合研究表明,采用并流多通道进出口结构和进出口流体分布挡板,可以非常有效优化壳程流场分布和提高传热性能,降低壳程压降,并且挡板1与挡板2和挡板3相比具有更加优越的综合性能。