绕管式换热器作为液化天然气的主要设备,由于其结构紧凑,换热率高,可实现多种工质的换热,并且承压能力高,被广泛应用在大型天然气液化装置中。目前我国的大型绕管式换热器均依靠进口,缺乏设计和制造绕管式换热器方面的技术。绕管式换热器内的混合制冷剂属于碳氢类非共沸混合物,其两相相变传热过程极为复杂。由于缺乏预测精度高的换热关联式来计算混合工质的两相传热系数,使得绕管式换热器的优化设计十分困难。因此,本文采用实验和模拟的方法对螺旋管内碳氢类混合工质的冷凝换热特性进行研究。首先,设计并搭建了可以测量碳氢类混合工质在绕管式换热器单根螺旋管内实际工况下冷凝流动换热特性的低温实验台,提出了测试样件双层套管内管内壁温的测试方法,对实验系统和数据处理方法进行了介绍。利用实验台对单工质丙烷进行了冷凝换热研究,分析了不同运行参数对丙烷冷凝换热系数的影响规律。结果表明实验台运行稳定,测试精度满足实验要求。并且建立了流型可视化系统,对混合工质甲烷/丙烷在管内冷凝流动的流型进行了观测,得到了塞状流、分层流、波状流、半环状流和环状流五种主要流型。为混合工质的冷凝流动换热研究奠定了基础。其次,通过对实验测试样件结构合理的简化,提出了三段式物理模型,并给出了合理的计算网格,建立了混合工质管内强迫流动冷凝换热数值模型。基于所建立的换热模型对混合工质的冷凝流型进行了模拟,得到了与实验观测一致的流型结果,证明了模型的有效性。同时,考虑到混合效应对混合工质冷凝换热的影响,提出了将换热数值模型与Silver法相结合的混合工质冷凝换热计算方法。并将模拟结果与实验值进行比较,发现最大偏差不超过±25%。为螺旋管内混合工质冷凝换热特性及冷凝流型的研究提供了可依据的计算模型。然后,用所建立的冷凝计算模型对甲烷/乙烷和乙烷/丙烷混合工质在螺旋管内的冷凝换热特性进行了模拟计算,分析了冷凝换热系数随质量流量、干度、饱和压力和热流密度的变化规律。结果表明换热系数随干度和质量流量的增加而增大,随饱和压力的增加而减小,而热流密度的变化对换热系数几乎没有影响。同时,对混合工质不同组分配比的换热规律也做了研究,并分析了不同结构参数(管径、螺旋升角、弯曲直径)对换热系数的影响规律。结果表明随着管径的减小,换热系数逐渐增加;螺旋升角对换热系数几乎没有影响,随着螺旋升角的增加,换热系数增加量很小;换热系数随着曲率直径的增加而减小。因此,在实际绕管式换热器设计加工过程中,适当的减小曲率直径可以增强换热系数。最后,将模拟得到的流型数据与现有冷凝流型图进行对比,采用Kim流型图分界线形式,提出了适用于螺旋管内混合工质冷凝流动的流型分界线。根据新的流型分界线将流型划分为非环状流与环状流,并将不同流型下的换热系数数据与现有的冷凝换热关联式预测值进行比较,结果表明Shah关联式对非环状流的换热数据预测效果较好,偏差为15.4%;而Chen关联式对环状流的换热数据预测较好,偏差为13.9%。在此基础上,提出了适用于不同流型下螺旋管内混合工质冷凝换热关联式,关联式预测值与计算值的整体偏差为13.8%,所有的偏差均在±30%的范围内。本文的研究为大型绕管式换热器的设计提供了理论支持。