石油化工领域能耗占据终端能耗相当比例,其制冷换热量大面广,高效换热器的研究和应用成为亟需。螺旋交叉缠绕管式换热器是一种新型高效节能的换热设备,虽然传热原理属于管壳间壁式换热器,但完全突破了传统管壳式换热器的设计思路,在材料、形状、结构等方面都独具特点,同等条件下,换热系数是传统管壳式换热器的2～3倍,节能15%以上,单位容积下螺旋交叉缠绕管式换热器换热面积是普通管壳式换热器的2倍左右。螺旋交叉缠绕管式换热器由西德的林德公司于1895年研制开发,上个世纪70年代末首次引进我国,一直受到国内外学者的关注,涌现了较多研究和应用成果,但其性能和应用仍有较大提升空间。本课题采用数值模拟与理论编程相结合的方法对螺旋交叉缠绕管式换热器进行了深入研究,得出了相关制冷机理,提出了一种新型结构,改善了其性能,具体如下:首先,通过相关参考文献的实验数据验证了Solid Works软件的可靠性。结果误差为6.06%,说明了运用Solid Works软件进行本文数值模拟的可行性。其次,分别采用Solid Works软件和自编用户程序的MATLAB软件对单股流、多股流螺旋交叉缠绕管式换热器进行了数值模拟计算,分析了单股流螺旋交叉缠绕管式换热器和多股流螺旋交叉缠绕管式换热器的相关制冷机理,得到了相关结论。1)适当增大管径和流体流速有利于单股流与多股流螺旋交叉缠绕管式换热器制冷效果的提升;2)随着层间距的减小壳程流道空间减小,流道变得窄小曲折,进而流动阻力增大,壳程压力损失增大,层间距减小,单位截面的流速增大,层与层之间参与制冷的流体增多,总换热系数随之增大,故层间距减小且流体流速增大时单股流与多股流螺旋交叉缠绕管式换热器的制冷效果较好;3)管间距减小,同层管道间的流动空间减小,单位截面的流速增大,因而总换热系数增大,流体流过每层管道的轴向距离变短,壳程压力损失减小,故减小管间距和增大流体流速有利于提高单股流与多股流螺旋交叉缠绕管式换热器的制冷性能。当然,无论单股流还是多股流螺旋交叉缠绕管式换热器,制冷性能的改善均需要一定的阻力损失作为代价。最后,分别采用Solid Works软件和自编用户程序的MATLAB软件研究了管道排列方式、管型等几何结构对圆形管与方形管螺旋交叉缠绕管式换热器性能的影响,结果表明:1)相同条件下,管径适当增大,换热器流体流动换热性会提升;2)适当减小层间距、增大流体流速,可以提高换热器的换热性能;3)适当减小管间距并增大流体流速将有利于加强换热器的换热,但是相应的流动摩擦阻力也会增大;4)相同工况时,同一管型下并管的换热效果要优于非并管的换热效果;5)鉴于相同管道排列方式和工况下方形管的换热性能要优于圆形管的换热性能,建议允许条件下,优先考虑采用方形管。