油基钻屑是一种由水分、油份和固体残渣等组成的非均相混合物,含有大量的有用物质和有毒物质,直接排放既浪费资源又污染环境。热解技术是目前极具潜力的油基钻屑资源化和无害化处理技术。然而,油基钻屑成分复杂且热解过程中间产物众多、反应体系庞大,对热解装置内流动和传热特性的理论和实验研究相对匮乏,限制了热解技术的工业化应用。本文针对螺纹推进式换热器,对其内部油基钻屑的流动、传热和热解特性进行了数值研究,并对关键结构部件在高温状态下的热应力和热变形进行分析。主要研究内容与成果如下:首先,对油基钻屑未达到热解温度时的流动和传热特性进行了研究,分析了螺纹管转速、导程和截面形状的影响,并得到了低温下非热解油基钻屑在螺旋通道内的流动阻力和传热性能关联式。数学模型中采用幂律模型描述非牛顿流体油基钻屑的层流流动,RNG k-ε湍流模型描述高温烟气的湍流流动。研究发现油基钻屑的平均动力粘度随着转速的增加而减小,说明螺纹管转速能够有效减小油基钻屑混合物的粘度,增强其流动性,从而增强油基钻屑与烟气之间的传热效率。在保证相同的横截面积及轴向长度的条件下,螺纹管截面形状的影响主要体现在曲率比上,且Nusselt数随曲率比的增加而增加。导程对油基钻屑流动传热特性的影响较为复杂,其表面传热系数随导程的增大呈先增大后减小的趋势。其次,研究了高温下油基钻屑发生蒸发和热解时螺纹推进式换热器内的流动和传热特性。以正癸烷为油份替代物,采用十组分一步产物比例分布化学模型来描述其热解机理,建立热解装置内流动、传热和传质的数学物理模型,分析了螺纹管转速、导程以及截面形状对油基钻屑热解特性的影响。油份蒸发吸热量远小于热解吸热量,且蒸发速率和热解速率均受到温度梯度和浓度差的影响,沿流动方向呈先增大后减小的趋势。蒸发和热解过程对流体流速、表面传热系数以及物性参数有非常重要且直接的影响。油基钻屑表面传热系数相比于忽略蒸发和热解过程的研究模型I增加了163.5%～175.3%。油基钻屑的热解率随着转速的增大而增大,但当转速大于0.2 rad/s时,增加的幅度明显减小;当导程小于700 mm时热解率和热解吸热量变化幅度均较小,当导程大于700 mm时热解率和热解吸热量均急剧降低;五种截面形状的两层管螺纹推进式换热器内油基钻屑油份出口热解率均达到了90%以上,其中,圆形截面的出口热解率最大,正方形截面的出口热解率最小。最后,研究了温度变化对螺纹推进式换热器关键结构部件热应力分布和应变量大小的影响。内套管两端均受到固定约束时产生了较大的热应力,最大热应力出现在内套管受到固定约束的边界面处,最大位移发生在管长中部位置处且体积膨胀率沿油基钻屑流动方向逐渐增大。而采用一端固定另一端自由的约束方式时能够有效减小其受到的压缩热应力,最大热应力出现在下层内套管左端边界面上,距离固定约束端越远,热应力越小。壁厚对内套管热应力的分布有一定影响,热应力沿壁厚方向呈先增大后减小的趋势,并且壁厚越厚,最大热应力越大,体积应变越小。螺纹管转速、导程和截面形状通过影响换热器内的温度分布从而影响内套管的热应力和热变形。