在“双碳”目标背景下,寻找替代型环保制冷剂成为大势所趋,二氧化碳拥有优良的热物理特性和良好的换热性能,已开始应用于制冷热泵领域。二氧化碳管内流动换热的研究与日俱增,但多数研究针对单管内流动换热分析和流场分析,套管的研究多集中在直管套管,针对矩形盘旋套管的换热研究,尤其是结构改变对于矩形盘旋套管换热的影响鲜有讨论。本文以超临界二氧化碳矩形盘旋套管式气冷器为研究对象,具体工作如下:首先,利用CFD数值模拟技术建立模型,并与实验对比,验证模拟准确性。之后,对直管套管、竖直矩形盘旋套管、水平矩形盘旋套管三种结构形式气冷器进行对比分析,探究不同结构对气冷器换热的影响。然后,利用换热性能评价准则PEC将换热和流动阻力同时考虑在内,建立评价螺旋管综合换热性能的计算模型,进一步分析管径、曲率、螺距、长宽比等结构参数和质量流量、温度、压力等操作参数对水平矩形盘旋套管式气冷器管内流动换热的影响。最后,考虑离心力与重力的相互作用,通过改变内管位置对气冷器进行改进,设计了偏心矩形盘旋套管式气冷器,并与同心矩形盘旋套管式气冷器进行对比分析。通过数值模拟研究发现,水平和竖直两种矩形盘旋套管的换热能力都较直管套管有较大提升。相同操作条件下,减小管径、增大曲率、减小螺距、长宽比设置为3:1,均能增大PEC值,提升矩形盘旋套管的对流换热能力。相同结构形式下,二氧化碳进口温度对换热过程影响不大,增大二氧化碳进口质量流量和减小压力均可以增大对流换热系数,提高换热效率。通过分析发现,偏心套管的换热性能优于同心套管,对流换热系数较同心套管提升了12.99%。本文研究可以对以超临界二氧化碳为换热工质的矩形盘旋套管式换热器的设计优化提供一定的理论依据。