卧式壳管式冷凝器的主要特征为在壳体内装有一组或多组冷凝管管束,冷却水走管程,制冷剂蒸气走壳程,冷却水带走工质蒸气在壳程管束外凝结放出的热量。因具有能适应高温高压、清洗方便、制造容易、生产成本低等优势,其被广泛应用在制冷空调、能源化工和石油化工等领域。然而,壳管式冷凝器在结构紧凑性、单位金属换热性能及金属耗量等方面仍不尽如人意,使得其节材增效对相关领域提质增效具有显著的影响。设计方法不完善、使用核心热工参数不准确（甚至缺失）是导致该类换热器设计冗余度大的主要因素。本文旨在正确认知实际卧式壳管式冷凝器中不同区段的换热机制基础上,提出可有效提升壳管式冷凝器结构紧凑性的设计新方法,并结合实验与理论分析论证其有效性。本文具体研究工作与成果如下:首先,对影响壳管式冷凝器换热面积的各计算参数进行敏感性分析。从制冷、热泵领域壳管式冷凝器壳体内存在的三个换热区（过热区、两相区和过冷区）对总体换热面积的影响入手,再对各换热区的换热面积的影响因素分别进行分析。结果表明在绝大多数工况下,两相区换热面积对总体换热面积的影响最大,过热区和过冷区单位换热量所需面积大。其次,结合壳管式冷凝器各换热区及主要设计参数对换热面积影响的敏感性分析结果,提出了针对不同换热区换热特点的壳管式冷凝器设计新方法。基于敏感性分析结果,提出改变过热区和过冷区结构的思想,结合课题组管束效应理论成果与引流导液消除管束效应的试验研究的基础上,提出针对两相区管束效应变化规律的设计新方法,完善两相区设计新方法的热工计算流程。第三,基于两相区优化思想的需求,完成非均匀布液条件下凝液流型演化规律的试验研究。建立了横管管间降膜流型观测试验台,通过设计四种布液器结构来创造不同均匀度的布液条件,试验研究了非均匀布液条件对横管管间降膜流型演化的影响。试验结果表明来流均匀程度可以改变横管管间降膜流型演化规律,随着非均匀布液程度不同,流型转捩点的降膜雷诺数Re_tr的差异高于90%,流型转捩点的降膜雷诺数Re_tr与表征来流均匀程度的l_h/d_h的值呈现一定函数关系。最后,结合技术经济分析评估了应用壳管式冷凝器设计新方法可取得的收益。应用本文提出的优化设计新方法,结合HFC134a在光管及Turbo-CSL三维高效管的精准管束效应试验结果,与传统设计方法应用传统管束效应半经验计算模型和高精度半经验模型的设计计算结果相对比。结果表明,对于使用光管和Turbo-CSL管作为换热管的冷凝器,在相同换热能力下（达到相同换热量）,过热区及过冷区优化结构后节材率（换热金属耗量）可达到98.7%、97.5%和93.4、94.4%,两相区新方法的冷凝换热管用量最多可缩减至传统方法的69.3%和50.6%;在相同初投资下（相同金属耗量）,新方法设计下的壳管式冷凝器的换热性能提高至传统设计方法的2.73倍和3.41倍。通过经济性分析证实了优化设计新方法相比传统设计方法可显著减少设计冗余度。本文基于常规壳管式冷凝器敏感性分析结果的基础上,提出了壳管式冷凝器过热、两相与过冷三区段换热面结构及换热器整体的逆向设计方法,并对两相区换热管束逆向设计时涉及的关键科学问题开展了布液均匀性对单列横管外降膜流型影响的试验研究,进一步完善设计新方法。本文为我国未来发展大型壳管式冷凝器的自主研发工作开辟新思路,为实现能源可持续发展,促进节能减排提供有效途径。