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换热器设备在诸多能源领域中广泛应用，其工作性能和成本在换热器设计种受到广泛关注。由于换热器原材料价格的上升，开发紧凑高效的换热器成为当下研究的热点。因此，本文提出一种4mm小管径管式换热器，采用实验研究和数值模拟结合的方法对该换热器的流动和换热特性进行了分析，并对其结构进行了优化设计，具体研究内容包括: (1)建立这种逆流管式换热器的物理模型，分别采用标准k-ε模型、RNGk-ε模型、可实现的k-ε模型以及k-w模型对其进行数值模拟，结果表明:采用以上四种计算模型，换热量和实验测得换热量分别相差27.34％、34.15％、36.69％、5.66％;压降和实验测得压降值分别相差16.67％、16.3％、9.27％、5.83％，从模拟准确性分析，确定k-w湍流模型作为本文计算模型。 (2)以大管径7mm换热器的换热性能为指标，分别对7mm和4mm两种管径的单根换热管的流动与换热特性进行了数值模拟。数值模拟结果表明，换热器管径由7mm减小到4mm后，单根换热管可节省铜材46.15％，换热管内换热系数增大，换热器换热性能提高，但是总体换热量减少，管内沿程阻力损失增大。 (3)为保证4mm小管径换热器的换热性能达到或接近7mm大管径换热器的性能，同时兼顾其节材量，提出小管径换热器换热管新型布置方式，对小管径换热器的结构进行了优化设计。采用增加并行换热支管数目，适当减小换热支管管长的方法，对抑制管侧阻力损失增大有明显效果。采用两根适当缩短的小管径替代原有大管径换热管，可实现管内阻力损失适当增加的同时，换热量不会减小，同时节省铜材约30％。 (4)设计搭建了4mm小管径换热器性能测试平台，以水为工质，对换热器内流动及换热性能进行了研究，得到了不同工况下换热器的换热量和管内阻力损失。同时，将实验结果和数值模拟结果对比，验证了数值模拟分的准确性。