在换热器设计中,由于各设计目标之间存在的矛盾性及某些不确定性,使得构造目标函数最优点集的隶属函数非常困难。这种矛盾性往往表现为提高换热器传热能力的同时,却以消耗较多的更高品位的能量作为代价;而流体物性参数的变化又是产生某些不确定性的主要因素。传统的换热器设计方法未能从根本上解决这些问题,应该在设计方法上作一些突破性变革,综合考虑换热器设计中的目标函数及不确定性因素,发展新的设计方法,以适应换热器强化传热技术的发展。基于此,本文依据传热学、流体力学、热力学的基本理论,研究了一种建立在几何相似性原理基础上的换热器设计方法——直接设计法(Direct-Sizing)。本文分析了直接设计法的理论基础、归纳了设计步骤,指出确定传热过程的温度曲线及阻力曲线是该方法的关键;本文还分析了流体的流动状态、传热温差等对温度曲线的影响,以及换热器结构的变化对阻力曲线的影响,讨论了在设计区域确定最佳设计点的基本方法。本文还提出了考虑冷、热流体物性变化的换热器分段设计的方法。该方法将整个换热器分成有限段,利用初始条件及各段之间的连接条件获得各段的入口和出口温度,再应用对数平均温差法(LMTD)确定各段传热面积,从而完成换热器整体设计。应用分段设计法获得的结果更为精确,更能反映传热过程的实际。对于直接设计法的应用研究,本文选取了螺旋折流板式换热器作为设计实例。在设计过程中,本文分析了目前通用的非连续型螺旋折流板的不足,设计了可以形成完整螺旋流道的折流板片;分析了螺旋折流板式换热器的结构特点及其局部换热情况,通过特征参数建立了传热过程的热力与阻力设计的关联,获得了理想设计结果,验证了换热器直接设计法的先进性。本文对直接设计法的发展与完善进行了展望,提出了将分段设计的思路应用于换热器直接设计法,形成一种新的换热器设计方法——分段直接设计法的构想。该方法将突破直接设计法原有的局限性,使直接设计法能够应用于不具有几何相似性结构的换热器设计,同时能够提高换热器设计的精确度。