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由于结构牢固,承受压力和温度的能力高,设计、制造和使用成熟,管壳式换热器作为应用最为广泛的换热设备在许多装置的关键位置上发挥着重要作用。然而,与新型换热器相比,管壳式换热器在传热效率及结构紧凑性方面存在不足。另一方面,在管壳式换热器中,管板是最重要组件之一,其强度对于换热器的安全至关重要。因此,提高管壳式换热器的传热效率以及进行管板强度研究具有重要理论意义和工程应用价值。本论文在完成部分实验验证的基础上,应用有限元方法就一些特殊结构折流板和换热管构建的换热器进行了流动、传热的模拟和综合性能比较。同时对管板的轻量化方法以及U型管或浮头式换热器管板的热应力进行了研究。主要工作和结论如下:(1)通过对由弓形折流板、大小孔折流板、大小孔弓形折流板与波纹管、直管等5种结构所构建的六种换热器进行了传热性能实验研究,结果发现,相比于弓形折流板,大小孔折流板与大小孔弓形折流板有更低的壳程流动阻力,但壳程传热系数略低于弓形折流板;而使用波纹管可以将传热效率提高30～38%。(2)在得到实验验证的基础上,对这6种换热器进行了比较系统的流场流动和传热的数值模拟研究。结果表明,大小孔折流板与大小孔弓形折流板换热器中壳程流体的纵向流动明显加强,同时大孔处的射流可以有效的强化传热并提升场协同性,减小流动死区;波纹管的湍流程度较高,同时场协同能力较好从而显著地强化了传热。若以传热系数与压降之比来衡量六种换热器的性能,则大小孔弓形折流板波纹管换热器的性能最好,这种换热器具有良好的综合性能与应用前景。(3)将压力容器分析设计方法与有限元优化设计相结合对某U型管换热器的管板进行了参数化轻量化设计。研究发现,合理地建立路径并参数化可以将分析设计中应力分类的校核方式直接嵌入管板的优化设计方法中,从而有效提升管板轻量化计算的效率;对于本论文所分析的换热器,依本论文方法进行轻量化设计后比常规设计得出的管板厚度减薄了 31%;同时也发现,承受压力载荷作用时,决定管板厚度的关键因素是管板中心处的膜加弯应力强度,而与膜应力相比,管板上膜加弯应力水平对管板的厚度更敏感。(4)就U型管或浮头式换热器管板的热应力问题,利用有限元方法对于管板的温度场进行了研究,发现,管板中温度场的分布受换热管内的热载荷影响较大;管板厚度的改变会影响有孔区域管程侧与无孔区域的温度场;管板上的温度梯度与管壳程对流传热系数的大小有关,相对于管程传热系数,壳程传热系数对管板温度场的影响更明显;换热管与管板之间的接触热阻会导致管板有孔区域整体温度梯度的降低。(5)在温度场分析的基础上,模拟得到了 U型管或浮头式换热器管板的热应力场,并就其热应力分布规律及其影响因素进行了研究,特别是从管板厚度和管壳程对流传热系数的角度分析了如何降低U型管或浮头式换热器管板中的热应力;为便于工程应用,在足够数值模拟结果基础上,拟合得到了管板中心处表面径向热应力与管板主要结构参量之间的关联式。