随着我国工业化进程的发展,能源危机日趋严峻,可再生清洁能源的研究和开发利用已迫在眉睫。未来的能源系统应该向着强耦合和可再生的方向发展,这就要求对目前的能源结构进行调整。太阳能资源丰富,可再生性强,是发展前景很好的能源。但其应用目前还存在一些问题,如间断性,不均匀性以及受气候区域影响较大等,因此,太阳能的大规模应用需要转化为其它形式的能源来进行储存和调配。目前储存太阳能的方式有多种,其中尤以化学储能优势明显。太阳能甲醇水蒸气重组反应制取氢气就是一种很有潜力的方式,这种方式出口产物温度高,如果进行余热回收,节能的效果会更加明显。管壳式换热器是目前国内外换热设备采用的主要结构形式,在利用管壳式换热器进行余热回收的过程中,冷热流体的类型和初始工况会对换热器的换热性能以及余热回收系统的能源利用效率产生影响,本论文针对这些问题进行了研究。甲醇水蒸气重组制氢反应的出口产物主要由氢气、水蒸气和二氧化碳按照一定的比例混合而成。在余热回收的过程中,影响冷热流体换热效果的因素很多,特别是合成气中各组分的流动扩散作用会对传热产生很大的影响。为了研究高温混合气体在管壳式换热器中的传热特性,本文基于流体流动模型、传热理论和扩散传质模型建立了一种三维稳态数值模型,通过Kern准则数法对模型进行了验证,并且分析了物质扩散对换热器温度场以及热流各组分浓度场分布的影响。研究发现,物质扩散改变了混合气体中各组分的原有分布,使在传热中占主导地位的氢气发生回流扩散,并与入口附近温度较高的热流进行了换热,自身消耗掉部分高温流体热量,因此降低了换热器的换热性能。在考虑物质扩散因素的情况下,等效传热系数从16.564 W/(m~2·K)降为15.955W/(m~2·K),说明物质扩散会影响管壳式换热器的传热性能。因此在研究管壳式换热器的性能时,流体的物质扩散作用应该加以考虑。作者在考虑多组分气体之间的扩散传质因素前提下,将?效率作为换热器换热效果的评价指标,对换热器的入口参数进行优化分析。分别从冷流流体的入口速度和温度,热流混合气体的入口速度以及各组分的混合比四个角度计算余热回收过程的?效率。计算结果表明,在一定的工况参数范围内,由于冷热流体的温差大,换热过程的不可逆损失大,换热器的?效率在36%左右。综合考虑实际情况和换热性能,当冷流水的入口速度为0.1m/s,入口温度为298.15K,热流合成气的入口速度为1.5m/s,入口温度为523.15K,氢气、二氧化碳、水蒸气的入口混合比为3:1:1时,换热效果最佳。研究结果可以为混合气体媒介的管壳式换热器精确设计以及余热回收系统中管壳式换热器的工程应用提供参考。根据能源系统趋向耦合和多级利用的特点,作者构建了太阳能甲醇水蒸气重组制氢-热电联产系统,并将管壳式换热器用于系统的余热回收。以重庆地区7-9月份的气候样本为参考,测试计算了夏季典型日的太阳辐射变化情况,分析了系统的能源效率在典型日随时间的变化规律,并为系统的高效运行提出了优化措施。