天然气在环境保护和能源结构调整方面发挥着重大的作用。液化天然气（Liquefied Natural Gas,LNG）因能量密度高、存储空间小在国内外发展迅速,但进入输送管网前需气化为温度不低于5℃的气态天然气。随着国家“碳达峰,碳中和”目标的提出,降低LNG气化能耗也受到了更多的关注。LNG空温式气化器（Ambient Air Vaporizer,AAV）直接利用大自然环境中的热能,可以有效降低LNG气化能耗,具有广阔的发展前景。但是由于LNG空温式气化器热质耦合传递特性研究尚不成熟,气化器在设计应用和运行切换时缺乏相关理论指导,导致气化器运行效率低下,因此有必要对LNG空温式气化器热质耦合传递特性进行深入的研究。本文采用实验、现场实测和数值模拟相结合的方法,对LNG空温式气化器深冷介质气化过程中动态热质耦合传递特性、翅片表面复杂结霜特性以及天然气出口温度、气化器表面霜层生长速率与气候的关联性进行研究,在此基础上提出气化器切换运行的判定指标和判定标准的确定方法,并提出利用辅热器度日数进行气化器设计应用的气候区划,为LNG空温式气化器的设计应用和优化运行奠定理论基础。首先建立了考虑LNG非共沸混合物的LNG空温式气化器结霜热质耦合传递模型,能够详细描述管内LNG气液相变过程中的泡点温度变化,并利用深冷表面结霜实验数据对其中的霜层生长模型进行了验证;验证结果显示,普冷条件下得到的霜层密度关联式并不能准确地把握壁面温度对霜层密度的影响,特别是壁面温度低于-78℃时;考虑到LNG的深冷特性,这些普冷条件下得到的霜层密度关联式并不适用于LNG空温式气化器表面霜层生长过程。为了得到准确的气化器表面霜层生长模型,通过实验方法对深冷介质气化过程中翅片表面的霜层生长特性进行了研究。采用可视化手段观测深冷介质气化过程中翅片表面霜层形态,以揭示深冷介质气化过程中翅片表面霜层形态演变过程;实验发现当壁面温降速率不低于2.32℃·min-1时,出现了一种新的紫藤萝状霜晶。采用图像分析方法对霜层厚度进行测量,分析了霜层厚度的影响因素及其空间分布特征,深冷介质气化流量和空气温度对霜层生长的影响较大,其中霜层厚度沿管长方向先减小后增大主要是受壁面温度和水蒸气浓度差的影响。进一步根据实验数据拟合得到了适用于深冷介质气化过程中翅片表面结霜的霜层密度关联式,并利用其他学者的实验数据进行了验证,结果显示,霜层生长模型采用新的霜层密度关联式后可以较准确地预测深冷介质气化过程中翅片表面的霜层生长过程。选取我国华北地区某LNG储备站内的典型LNG空温式气化器为研究对象,通过现场实测的方法对实际运行过程中的气化器动态热质耦合传递规律进行了研究,并利用实测数据和国外实验数据验证了本文建立的气化器结霜热质耦合传递模型。实测结果显示,受结霜影响天然气出口温度随运行时间不断下降,但是由于LNG气化流量的波动,气化器的平均传热系数随运行时间下降并不明显;由于LNG气化吸收了大量热量,导致气化器周围近地面空气温度明显降低。模型验证结果表明,本文建立的气化器结霜热质耦合传递模型可以较好地预测不同环境温湿度和LNG气化流量下的天然气出口温度随运行时间的变化规律。利用本文建立的LNG空温式气化器结霜热质耦合传递模型,对气化器的热质耦合传递特性进行了深入研究,探讨了不同运行时间下霜层厚度和管内流体温度沿管长的分布特征,分析了气化器近地面空气温度分布、环境温湿度、LNG气化流量和翅片结构对空温式气化器表面平均霜层生长速率和天然气出口温度的影响。选取不同建筑气候分区下的典型城市,对不同地域气候条件下的气化器结霜热质耦合传递规律进行模拟分析,并根据不同环境温湿度条件下气化器表面的霜层生长速率差异,划分了气化器结霜的重霜区、一般结霜区和低温结霜区。最后基于气化器热质耦合传递特性,定义并分析了参考工况下气化器能源需求度、结霜热量损失系数、结霜面积损失系数、霜层覆盖率等指标参数随运行时间的变化规律,在此基础上提出了空温式气化器切换运行的判定指标及判定标准的确定方法,并进行了算例分析。同时,利用相关性分析、离散度分析等数学方法探讨了气化器设计应用气候分区的区划指标,采用协同克里金空间插值方法对区划指标进行了空间插值,结合K-均值聚类分析和分级区划的思想确定了区划指标界限,并利用Arc Map软件将我国LNG空温式气化器设计应用的气候划分为八个气候区,通过分析各气候区的气象参数变化给出了各气候区气化器设计运行的策略建议。本文的研究为LNG空温式气化器的切换运行提供了理论依据,同时对提高LNG空温式气化器运行性能具有重要的理论和现实意义。