单级混合工质节流制冷系统结构简单,低温端无运动部件,具有高效、稳定、低造价等优点,因而被广泛用于制取80到230 K范围内的温度。在单级混合工质节流制冷系统中,回热器是其最重要的换热部件之一,选用高效的回热器对提高系统制冷性能具有重要意义。目前,由于缺乏预测精度高的经验关联式计算混合工质在回热器中的两相流动摩擦压降和传热系数,回热器的优化设计十分困难。因此,本文搭建了一套小型单级混合工质节流制冷系统,针对混合工质两相压降及传热进行研究。实验系统首次将高效、紧凑的钎焊板式换热器用于混合工质的回热过程,并将三个相同钎焊板式换热器串联成回热器,然后根据运行参数,筛选出进出口混合工质都处于两相状态的钎焊板式换热器进行研究。对于混合工质在钎焊板式换热器中的两相流动摩擦压降,本文采用了Chisholm模型、KE/V模型以及基于当量雷诺数的关联式三类最常用的两相摩擦压降计算模型对实验数据进行计算,结果显示,所用经验关联式对实验数据预测偏差较大。因此,本文根据实验数据拟合得到新的基于当量雷诺数的经验关联式,新关联式对冷凝压降及沸腾压降预测绝对平均误差分别为19.0%和11.1%。混合工质在钎焊板式换热器中的两相传热过程十分复杂,气液相中的组分浓度梯度差形成的传质阻力导致两相传热系数下降。因此,本文采用混合工质传质阻力修正4个冷凝传热关联式与10个流动沸腾传热关联式,组成40个关联式组合,对混合工质两相传热系数进行计算。通过对比计算结果与实验值,筛选得到了预测准确的关联式组合,其对混合工质两相传热系数预测绝对平均偏差为15.8%。对于给定硬件的制冷系统,混合工质循环浓度直接决定了系统的制冷性能。然而,混合工质两相过程浓度滑移特性给混合工质循环组分浓度的优化调整造成了很大困难。本文基于印度学者Narasimhan所得到的混合工质充灌组分浓度与循环组分浓度存在的线性关系,发展得到一个对混合工质制冷系统中混合工质运行循环浓度优化调整的策略。根据本策略,在对混合工质制冷系统充灌不足量的混合工质后,通过逐步增加混合工质充灌量,对混合工质循环组分浓度进行调整,最终可以实现将混合工质制冷系统中的混合工质运行循环组分浓度调整到运行工况下理论最优的混合工质循环组分浓度,两者相对偏差小于±5%。本文基于所提出的混合工质循环浓度优化策略,优化得到了正丁烷/乙烷/甲烷三元混合工质的合适充灌量及充灌浓度。然后,对该三元混合工质在制冷系统中的降温特性进行了实验研究,得到了系统制冷性能、压缩机效率、冷凝器及回热器的传热系数等参数随制冷温度的变化特性,为混合工质制冷系统的设计及运行提供参考。