在世界能源危机、中国能源现状和国内产业结构调整的大背景下,发展节能技术,不仅有利于提供现阶段经济发展动力,改善人民生活质量,更符合国家“十三五”战略规划与可持续发展战略。管壳式换热器作为一种通用设备广泛应用工业生产、特别是高能耗产业当中。如果能大幅提高管壳式换热器壳程与管程的对流换热性能,同时不显著地增加功耗,甚至减小功耗,将十分有利于节能降耗工作的展开。因此本文在基于最小耗散原理的强化传热过程优化理论和对流换热过程中的多场协同原理的支撑下,设计了新型的强化传热元件,使其在大幅提高换热性能的同时,流动阻力增加不显著：同时设计了新型管壳式换热器,将这些新型传热元件应用其中,并获得了良好的综合换热特性。介绍了基于最小耗散原理的强化传热过程优化理论和对流换热过程中的多场协同原理,这是新型强化传热元件设计和研究的理论基础。对于对流换热过程而言,将换热过程不可逆耗散与流体流动过程中的功耗作为互为目标函数与约束条件对换热过程进行优化,可以得到具有单涡或者多涡结构纵向旋流的管内优化速度场,结果表明,管内形成单涡或多涡纵向旋流结构能有效提高流体综合对流传热特性。对流换热过程中流体工质质点的多物理量矢量场之间的协同关系,很好地揭示了流体换热与流动阻力之间的关系,解释了管内强化传热与泵功损失的物理本质。设计了两种新型强化传热元件—深槽螺旋波纹管和椭圆偏心螺旋管,同时设计了应用这些新型换热管型的管壳式换热器—采用螺旋波纹管的折流杆换热器、采用螺旋波纹管的自支撑式管壳式换热器以及采用椭圆偏心螺旋管的自支撑式管壳式换热器,并对这些新型换热管型和换热器进行数值模拟研究。通过对深槽螺旋波纹管的数值模拟研究可以发现,深槽螺旋波纹管可以使其管内流体形成整体纵向旋流,使管内流体在大幅提高换热性能的同时,流动阻力增加不显著。研究发现,深槽螺旋波纹管中流体传热与流动的性能评价系数PEC值最高可达2.98,说明管内纵向旋流的形成能有效提高其综合传热性能。对采用深槽螺旋波纹管的折流杆换热器研究发现,深槽螺旋管外壁面与折流杆共同作用能改变换热器壳程流体的流动形式,从而改变其传热与流动性能。通过计算发现,与传统的采用光管的折流杆换热器相比,采用深槽螺旋波纹管的折流杆换热器壳程流体传热与流动的效能评价系数EEC最高可达1.35,说明其具有良好的综合强化传热性能。采用深槽螺旋波纹管的自支撑式管壳式换热器壳程管束的固定与支撑并未采用额外的约束元件,使得壳程流体流动的局部阻力大大减小。与折流杆换热器相比,在相同壳程Reynolds数下,采用深槽螺旋波纹管的自支撑换热器壳程流体功耗减小倍数要远大于其换热量减小倍数,其EEC值最高可达2.41。椭圆偏心螺旋管通过其特殊几何外形的壁面结构,也能使流体形成整体纵向旋流,使其在提高换热性能的同时,流动阻力增加不明显。通过对不同椭圆截面短长径之比的椭圆偏心螺旋管计算发现,短长径之比为0.6时椭圆偏心螺旋管管内流体PEC值可达2.52。采用椭圆偏心螺旋管的自支撑式管壳式换热器能大大减小壳程流体流动阻力,同时其仍然具有良好的换热性能。计算结果表明,在壳程流体Reynolds为18000时,折流杆换热器壳程压降为3164.4Pa,而采用椭圆偏心螺旋管的自支撑换热器壳程流体压降仅仅只有237.6Pa,因此采用椭圆偏心螺旋管的自支撑换热器壳程流体效能评价系数EEC值可以高达11.7,具有优良的综合换热性能。搭建了基于Stereo-PIV技术的管内流场可视化实验台架,通过实验方法观测到了具有不同槽深的螺旋波纹管内流体流动特征,发现深槽螺旋波纹管内流体能够形成具有单涡结构的纵向旋流,而浅槽螺旋波纹管内流体则不能形成纵向旋流。