缠绕管换热器具有结构紧凑、换热效率高等特点,近年来被广泛应用于石油、空分、化工等领域。然而,由于其结构复杂、制造手段特殊、管内微观流动状态难以检测等特性,使得国内外对其研究尚未深入。为了实现高效缠绕管式换热器的设计,需要对缠绕管内的流动规律及结垢规律进行深入研究。因此,本文从实验研究和数值模拟两方面入手,重点研究了缠绕管的结构参数和操作参数对管内压降、二次流及结垢的影响规律,以期为缠绕管换热器的设计优化提供指导。主要的研究内容及结果如下:1.以水为介质,实验考察了缠绕直径、缠绕角度、管径等缠绕管结构参数对压降的影响。结果表明,在流速及其他结构参数相同的情况下,缠绕直径或管径越小,缠绕管的单位长度的压降越大;不同流速区间缠绕直径和管径对压降的影响程度不同。低流速下(小于0.6 m/s时),缠绕直径和管径对压降的影响较小;高流速下(大于0.6m/s时),缠绕直径和管径对压降的影响显著。在本文实验条件下缠绕角度对压降的影响较小。研究发现采用统一的模型参数会使得缠绕管压降的预测模型在高压降区失准,由此提出由流动参数和缠绕管几何参数组合而成的分段特征参数ξ=(1/Re)0.5(d)0.4(D)0.2,并构建了分段式压降预测模型:△P/△L=mRe"(d/D)l(pu2/d),当ξ>0.001 时,m=2.8,n=-0.41,l=0.42,当ξ<0.001时,m=3.88,n=-0.38,l=0.60。其计算值与实验值的相对偏差小于±10%。2.基于停留时间分布实验,提出了缠绕管内二次流强度的两种定量表征方法,液体停留时间分布的方差σ2越大,或缠绕管出口处轴向速度与总速度的比值S越小,表明二次流越强。利用该方法考察了缠绕直径、缠绕角度、管径等缠绕管结构参数对二次流的影响,研究发现,缠绕直径或管径越小,二次流强度越大,缠绕角度对缠绕管内流体流动无显著影响;随着流速的增加,σ2先减小、后增大再趋于平稳,对应缠绕管内依次出现的边界层作用区、二次流作用区、二次流极限区;缠绕直径或管径越小,从边界层作用区到二次流作用区的转变速度越小;在小管径的缠绕管中更易出现二次流极限区。CFD模拟结果表明,在边界层作用区S值约为1,在二次流作用区S值随管内流速增大而急剧减小。3.基于硫酸钙溶液在加热时溶解度降低会发生结晶结垢的原理,建立了缠绕管内结晶结垢过程的CFD模拟方法,考察了缠绕管结构参数和操作参数对管内结垢程度的影响。结果表明,在相同的传热面积下,缠绕直径和管径越小,越容易结垢,缠绕角度对管内结垢的影响较小;流速越大,流体对垢层的剥蚀作用越强,可以有效减少缠绕管内污垢的沉积。与直管相比,当换热面积相同且恒定壁温或恒定热流时,缠绕管内流体温度较高,结垢率更大;当换热面积和换热量相同时,缠绕管内结垢率更小。