螺旋折流板管壳式换热器具有综合性能好、结垢少和流动引发的管束振动小等优点,是液化工厂中预冷循环的主冷凝器。在LNG用螺旋折流板管壳式换热器中,碳氢工质在壳侧沿螺旋形通道流动,流动形态复杂,换热器性能难以预测,最终可能导致换热器设计失效。明确碳氢工质在螺旋折流板管壳式换热器壳侧冷凝换热的机理可以为自主研发设计该设备提供理论指导。然而,由于缺少公开的相关理论支撑,阻碍了LNG用螺旋折流板管壳式换热器的优化和设计的技术发展。本文以开发工程应用的流型判别准则和换热关联式为目的,针对碳氢工质在螺旋折流板管壳式换热器壳侧冷凝换热特性的基础性问题开展了系统的实验研究。取得了以下几方面的成果:(1)设计搭建了用于碳氢工质在螺旋折流板管壳式换热器壳侧流动冷凝换热测试的实验平台,在满足安全防爆的条件下,实现换热器壳侧局部换热系数的准确测量。采用预冷冷凝器和旁通回路的设计,实现测试工况的精确调节;对实验测试样件采用与实际换热器相同的折流板螺旋倾角和管径设计,建立了反映换热器单元段结构特点的实验对象;采用激光轴向开孔方法在换热管壁上加工了热电偶直埋孔,实现了管壁温度的直接测量,获得的壳侧换热系数比热阻分离法得到的更准确;进行了实验环境中气体高效扩散方案设计及局部可燃气体浓度监测布置,保证了实验装置的运行安全。(2)观测了螺旋折流板管壳式换热器壳侧碳氢工质的两相流型,绘制了用于预测卧式螺旋折流板管壳式换热器壳侧流型的流型图,并建立了流型转化的判别准则。实验对象包括卧式和立式测试样件,实验工质包括纯丙烷和乙烷/丙烷混合工质(乙烷质量配比0%~50%),实验工况覆盖干度0.1~0.9和质流密度20~50 kg/m~2 s。流型实验结果表明:立式换热器壳侧工质分布比卧式中的均匀,而卧式换热器中存在分层流、分层-雾状流和雾状流三种流型;质流密度增加会导致卧式换热器中纯丙烷和乙烷/丙烷混合制冷剂流型转化的临界干度降低;易挥发组分(乙烷)质量配比增加会增大卧式换热器中混合工质流型转化的临界干度。已有Grant流型转化判别准则不能适用于卧式螺旋折流板管壳式换热器壳侧碳氢工质的流型判别,基于实验结果建立了分层流至分层-雾状流和分层-雾状流至雾状流的流型转化准则。(3)测量了卧式螺旋折流板管壳式换热器壳侧碳氢工质流动冷凝换热系数,建立了可以反映碳氢工质物性和螺旋折流板影响的局部换热系数关联式。实验工质包括纯丙烷和乙烷/丙烷混合工质(乙烷质量配比0%~50%),实验工况覆盖干度0.1~0.9、质流密度20~50 kg/m~2 s和热流密度3.0~7.0 kW/m~2。实验结果表明:两相乙烷/丙烷混合工质的换热系数随着干度增加先增大后减小,峰值出现在0.8附近;两相纯丙烷和乙烷/丙烷混合工质的换热系数随热流密度增加分别是减小和增大的;乙烷丙烷混合工质换热系数在乙烷配从0%增加至15%时急剧减小,而从15%增加至50%基本保持不变。已有水平管外冷凝换热关联式与实验结果的偏差较大,基于Belghazi等的关联式开发的新关联式与91%的丙烷实验结果预测偏差在±10%以内,与95%的乙烷/丙烷混合工质实验结果预测偏差在±25%以内。(4)测量了立式螺旋折流板管壳式换热器壳侧碳氢工质流动冷凝换热系数,建立了可以反映碳氢工质物性和螺旋折流板影响的局部换热系数关联式。实验工质包括纯丙烷和乙烷/丙烷混合工质(乙烷质量配比0%~50%),实验工况覆盖干度0.1~0.9、质流密度20~50 kg/m~2 s和热流密度3.0~7.0 kW/m~2。实验结果表明:两相丙烷的平均换热系数比卧式换热器的低15%~55%,而两相乙烷/丙烷混合工质的换热系数与卧式换热器的接近;两相乙烷/丙烷混合工质的换热系数随着干度增加先增大后减小,峰值出现在0.8附近;两相丙烷和两相乙烷/丙烷混合工质的换热系数均随热流密度增加而单调递增;乙烷/丙烷混合工质的换热系数随着乙烷组分增加,在0.2~0.6干度范围内基本不变化,而在0.8~0.9干度范围内明显降低。已有竖直表面的冷凝换热关联式与实验结果的偏差较大,基于Kutateladze的关联式开发的新关联式与93%的丙烷实验结果预测偏差在±20%以内,与95%的乙烷/丙烷混合工质实验结果预测偏差在±25%以内。本文设计搭建了用于碳氢工质在螺旋折流板管壳式换热器壳侧流动冷凝换热测试的实验台,实验研究了碳氢工质在螺旋折流板管壳式换热器壳侧的流动冷凝换热特性,建立了流型判别准则和换热系数关联式,为研发设计用于液化工厂的螺旋折流板管壳式换热器提供了理论基础,有助于提高LNG用冷凝换热设备的能量利用效率,实现节能减排的社会效应。