在天然气液化工业领域中,广泛采用非共沸混合工质低温制冷技术,其中,中小型天然气液化流程的冷箱主要采用板翅式换热器。冷箱内工质换热的温度滑移较大,可达到200°C左右。在其低温蒸发段,混合制冷工质干度低,流速慢,尤其在天然气液化负荷较低的工况下,换热器的换热性能下降。然而,这种工况下板翅式换热器的换热、工质液相积存等问题的理论和实验研究仍然欠缺。为了研究低温低干度混合工质在板翅式换热器中的换热性能,建立具有实际参考价值的理论预测模型,本文搭建了一套以板翅式换热器为低温段回热装置、以类似于天然气液化流程所用的混合工质(N2+CH4+C2H4+C3H8+iC4H10)为制冷剂、以普通商用涡旋压缩机驱动的低温制冷系统,在获取最低-160°C低温的前提下,对低干度低流速混合工质在板翅式换热器中的换热性能进行了研究;同时,整理了国内外学者对混合工质冷凝及沸腾换热关联式的研究,基于传热单元模型对板翅式换热器的总传热系数进行了理论预测,并与实验结果进行了对比分析,同时,基于实验数据对部分关联式进行了修正。在此基础上,对应用于天然气液化流程的板翅式换热器的优化设计进行改进,采用遗传算法,以单位熵增数为目标函数,冷热流压降为约束条件对板翅式换热器中通道和翅片参数进行寻优,并提出板翅式换热器设计的改进方向。混合工质的传热特性与流动特性密切相关,工质在系统中的液相积存不仅影响换热器的换热性能,还会影响混合工质的循环浓度,系统的总体性能也因此改变。因此,本文针对混合工质低温制冷循环中的降温特性、回热器中的冷热流温差变化、换热器负荷变化以及液相积存等问题进行了分析讨论。另外,基于混合工质一维竖直流动方程建立了低温制冷系统中混合工质液相积存的数学模型,分析讨论了低温制冷循环中混合工质的液相积存特性,以及混合工质循环浓度随降温过程的变化规律。天然气液化流程中混合工质的循环浓度对系统效率和稳定运行起着至关重要的作用,然而,在实际运行过程中很难将运行循环浓度调节至与优化浓度一致。通过对SMR液化流程的优化发现,在以系统(火用)效率为目标函数的前提下对混合工质进行寻优,可以得到差异较大的不同混合工质循环浓度,同时,系统在获取较高(大于0.4)的(火用)效率同时,换热器中温差匹配均匀合理。另外,在不同的预冷温度、系统高低压的情况下,优化的循环浓度均能使系统保持高效运行,这说明混合工质的浓度配比在天然气液化流程中存在较强的鲁棒性;另外,本文提出了SMR液化流程的调节方案,在实际工程应用中具有一定的参考价值。