卧式壳管式蒸发器结构特征为在壳体侧排布有多排多列蒸发管,冷冻水在蒸发管内侧流动,制冷剂的蒸发过程在壳体侧进行,冷冻水为制冷剂提供蒸发所需热量。其具备多重优势,如:耐高温高压工况、易清洗、造价低、生产过程简单等,因此在制冷空调、石油化工和能源产业等多领域得到广泛应用。然而,卧式壳管式蒸发器也存在内部结构紧凑性差、单位质量耗材换热效率低等问题。面向制冷空调领域大型冷水机组提质增效对高效壳管式蒸发器的需求,通过设计方法的结构性改革,解决单一类型壳侧管束换热面设计方法无法同时匹配壳侧多种换热过程所引起的换热性能紧凑性差等关键问题,对该领域节能减排具有重要意义。本文在分析其内部发生的换热过程基础上,结合不同换热分区的敏感性分析,提出高效壳管式蒸发器优化设计新方法,试验求解新方法所需部分关键热工参数模型,并结合实例论证新方法有效性。本文主要工作内容与成果如下:首先,明确了卧式壳管式蒸发器换热面积的分区方法,完成了换热面积及各分区传热系数敏感性分析。各种工况下结果表明:过热区比例均超过20%;随蒸发温度提高,过热区、气液两相对流区的面积比例之和将超过50%;过热区与两相对流区的主要热阻分布在管外,但核态沸腾区在管内;传统的采用一种换热结构或换热管的设计方法无法兼顾三区换热特点,必然导致部分区域换热效率低下。其次,提出基于敏感性分析驱动的高效壳管式蒸发器分区段设计新方法。明确面向对象与需求的高效壳管式蒸发器设计原则与方法,明确管束分区负荷计算及区域划分方法,提出各分区的换热面结构优化设计方法及对应热工设计计算方法,并对结合壳侧结构优化需求对管侧冷冻水流程进行合理排布。结果表明:过热区需采用高肋化系数的翅片管式换热结构提高壳侧综合传热系数、两相对流区需采用降膜蒸发换热模式与具有一定肋化系数的二维肋管列管换热面来提升壳侧综合传热系数;管程冷冻水流程设计通过壁面过余温度影响三区总换热面金属耗量,需要结合三区换热面结构优化过程匹配设计。第三,完成了水平管外沸腾换热特性试验求解。明确了试验方法,建立了试验系统,完成试验系统调适与检验,获得了R134a在一种新型强化蒸发管单管池沸腾传热系数与列管管束效应系数,为应用新管型与采用新方法开展核态沸腾区段设计实例奠定基础。最后,结合实例对比分析验证了本文提出的卧式壳管式蒸发器设计新方法的有效性。对于使用光管与新型强化蒸发管的壳管式蒸发器,结果表明:1)在换热量相等工况下,采用本文提出的设计新方法可使过热区的金属耗量分别降低70.4%和66.9%,两相区的管材金属耗量分别降低37.4%和28.6%;2)在金属耗量相等工况下,采用本文新设计方法得到的壳管式蒸发器,其换热性能较传统设计方法得到的壳管式蒸发器分别提高了2.31倍和1.49倍。综上,本文在卧式壳管式蒸发器换热面积敏感性分析基础上,针对卧式壳管式内部换热过程特点提出了分区段设计新方法,明确了各分区的设计计算方法,并通过实验求解了水平管外池沸腾换热特性,建立了R134a与一种新型强化蒸发管组合在蒸发温度6～15℃、热流密度10～30k W工况范围内下的单管外传热系数计算模型,并结合该管池沸腾管束效应模型完善了其核沸腾区域的热工设计新方法。本文研究工作与成果为我国制冷空调领域自主研发大型高效壳管式蒸发器开辟了新思路,同时对相关领域面向需求自主研发该类设备具有借鉴意义。