换热设备被广泛应用于石油、化工、食品、制药等多种领域生产过程中,其用途之一是余热的回收和利用,提高换热设备的换热性能可以改善我国余热利用率较发达国家偏低的现状,同时也是实现节能的重要途径之一,其中套管换热设备结构简单、适用范围大,换热面积增减方便,因此本文通过添加石墨烯纳米颗粒以及改变内管内侧流体换热形式强化了套管换热设备的传热性能,并对强化传热过程进行了仿真模拟与实验研究,同时对管内外均有相变的强化传热过程进行了模拟与实验研究。对于传热管内不发生相变的套管换热设备传热强化研究,选取热传导性能良好的石墨烯材料制成的石墨烯纳米颗粒作为辅助强化传热介质,将其加入传热管内的流体中,用于提高流体传热性能。本文提出构建微元体三维计算域对石墨烯纳米流体的流动传热过程进行定性分析,通过模拟得知石墨烯纳米颗粒可以通过颗粒间的碰撞、颗粒与壁面的碰撞以及颗粒与流体的微对流来提高流体的传热效果。另外对质量分数分别为0.5%、1%的石墨烯纳米流体分别在30℃、50℃、70℃下以300L·h^-1、400L·h^-1、500L·h^-1的流量进料进行实验研究,发现石墨烯纳米流体进料温度越高传热效果越好,传热系数随质量分数（本文所指质量分数均为石墨烯纳米颗粒在石墨烯纳米流体中的质量分数）的增大而增大,并且当流量增大时,流体的传热效果相应增强。当1%质量分数的石墨烯纳米流体以70℃,500L·h^-1进料时,其传热系数（本文所指传热系数均为传热管内的传热系数）最大,为3173.6W·m^-2·K^-1,此时传热管内的传热系数约是以水为管内换热介质时的1.65倍。对于传热管内发生相变的套管换热设备传热强化研究,选择可以利用低品位热源的降膜蒸发设备作为研究对象。本文对降膜蒸发器双侧发生相变的传热传质进行仿真与实验研究,建立相应的数学、物理模型,用ICEM CFD软件对其进行前处理,通过ANSYS Fluent进行模拟计算,通过CFD-Post软件进行数据后处理及可视化分析,得到降膜过程液膜膜厚分布图、温度分布图等,并得到竖直圆管降膜蒸发器双侧相变耦合过程中传热系数随雷诺数的变化趋势。分析了扰动进料流量、不同进料流量、不同管径等因素对传热的影响,并且对于降膜蒸发双侧相变过程进行实验研究,发现在研究温差范围内,温差越大传热效果越好,随着周向流量的增加,液膜蒸发比例下降。当进口流量扰动频率为16Hz时,降膜蒸发传热系数提高10%左右。通过对竖直管内有无相变两个情况的模拟以及实验进行分析,发现改变换热管内流体介质以及改变流体流动状况传热效果明显增强,对于被加热流体不发生相变且大流量进料时选择纳米流体,可提高经济效益,在有相变情况下选择降膜蒸发器可节能降耗。