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高消耗，高污染是我国工业发展的主要特征。解决高消耗，高污染的问题的关键在于节能减排技术的开发和应用。换热器强化换热技术的开发和应用是关键技术之一。近年来理论和换热器优化设计的发展非常迅速，将理论应用到换热器优化的研究对新型换热器强化换热技术的开发和应用具有重要的意义。 本论文的研究工作得到国家自然科学基金(No.21576245)的资助。对理论及在换热器强化传热中的应用进行了系统地理论分析，主要研究成果如下。 (1)在对(火积)理论和有用能损失理论深入研究的基础上，以广义不可逆卡诺热机系统为研究对象，分别用有用能损失理论和(火积)理论对广义不可逆卡诺热机系统的特性进行分析，提出描述系统有用能损失和(火积)理论之间数学关系——“(火积)减”概念；并将减应用到系统的平衡方程中，提出fi耗散综合方程，统一了传热耗散方程和热功转换(火积)耗散方程。 (2)应用减研究传热系统和换热器，采用“(火积)减”表述传热系统和逆流换热器的有用能损失，统一了传热系统和热功转换系统中有用能损失的(火积)理论数学表达式；提出逆流换热器中“减”的无量纲数——“(火积)减数”，以逆流换热器为例，研究了(火积)耗散数(火积)(火积)减数、以及有用能损失系数随着换热器传热有效度的变化规律，结果表明，(火积)减的随着温度之比x和传热系数之比r的变化趋势与有用能损失的变化趋势相同，说明(火积)减能有效表示传热系统和换热器中的不可逆损失。 (3)搭建多层缠绕管换热器(Multiple Coiled Tube Heat Exchanger)试验台，利用Wilson plot分离热阻法分析得到了多层缠绕管换热器(MCTHE)的强化换热性能；引入“有限时间热力学等效平均温度”的概念，对蒸汽相变过程进行等效变换，并应用于多层缠绕管换热器(MCTHE)，分析了换热器传热有效度、耗散数、(火积)减数、以及有用能损失系数的变化规律，结果表明，有限时间热力学等效平均温度能有效代替蒸汽相变产生的影响；(火积)减数随着换热器传热有效度的增加而减小，说明(火积)减能有效反映换热器的不可逆损失，从实验的角度验证了“减”的正确性和有效性。 (4)在实验数据的基础上，通过ANSYS Workbench软件，对多层缠绕管换热器进行数值模拟研究，结果表明，传热有效度的最大误差不超过3.5％，换热量的误差不超过19%，(火积)耗散数的最大误差不超过24%，(火积)减数的最大误差不超过2%，因此，验证了有限时间热力学等效平均温度的适用性，以及减的正确性；采用多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm)，以(火积)耗散数、(火积)(火积)减、Nu数和压降作为优化目标函数，通过ANSYS Workbench软件，对多层缠绕管换热器进行了多目标数值优化研究，结果表明，引入(火积)减的优化方法，能有效减少换热器的不可逆损失。 (5)借鉴变密度方法，对换热器进行拓扑优化研究。通过COMSOL软件对拓扑优化方法进行可视化编程，利用MMA(Method of Moving Asymptotes)优化算法，研究了拓扑优化在换热器设计中的适用性和影响因素。结果表明：换热流道的拓扑优化结构与低温工质的输入功(Re数)、以及固体区域的放热量(无量纲产热系数σ)有很大的关系：Re数越大，分支流道越多，σ越大，固体单位发热量越大，主流道越宽，分支流道越窄；这直接影响到了优化区域的换热性能，σ和Re数越大，换热效果越好，结构越复杂。