在混合工质低温制冷技术领域,板翅式换热器因其结构紧凑、传热高效且可以同时处理多股物流换热而被广泛用作中小型天然气液化、乙烯分离装置的冷箱。冷箱内发生混合物沸腾与冷凝耦合换热过程,具有换热温差小、温度滑移大、物性变化剧烈的特点,冷箱的高效和紧凑化设计是混合工质低温制冷技术应用的关键性技术难题。但是,目前关于低温混合工质在板翅式换热器通道内的传热特性、传热过程模拟以及多通道结构设计等问题的研究仍然欠缺,已经成为换热器优化设计的瓶颈。为此,本文首先从理论上针对板翅式换热器传热特点提出其换热系数测量方案,并搭建了一套基于低温混合工质制冷循环的实验系统,采用板翅式换热器作为回热器和测试段,重点研究低温混合工质在板翅式换热器内的两相传热特性。在实际工况下,采用大温度滑移混合组分(CH₄+C₂H₄+C₃H₈+i-C₄H₁₀)工质进行实验,获得了27组不同工况下混合工质的沸腾传热特性数据。对其传热特性和机理进行分析讨论,同时,整理12个经典的沸腾传热计算关联式对实验数据进行预测和进行对比分析。结果表明,传统的Chen类型沸腾传热关联式对实验数据预测偏大,低流速低热流密度下的混合工质沸腾换热主要以蒸发机理为主,混合物效应较小。同时,基于机理分析发展了新的沸腾传热预测关联式,对实验沸腾传热数据的预测绝对平均偏差为8.5%。沸腾和冷凝耦合换热的情况下,冷凝换热过程同样重要。进行沸腾实验的同时获得了27组不同工况混合工质冷凝换热数据。通过筛选11个经典的冷凝传热关联式对实验数据进行预测并且对传热特性进行分析讨论。结果发现,传统管径用冷凝关联式不适用于预测本文冷凝换热数据。基于Silver-Bell-Ghaly混合物冷凝平衡模型,并考虑两相流动过程对传质的强化,基于机理分析发展新的冷凝传热关联式,对实验冷凝数据获得较高精度的预测结果。板翅式换热器内混合工质的传热特性和传热模型对换热器设计至关重要。在分析了不同工况的换热器换热物流温度分布、换热温差匹配和换热量分布等特性的基础上,基于所发展的沸腾和冷凝传热预测关联式,对多股流板翅式换热器建立逐层分布参数传热模拟计算模型并通过多种实测工况验证。结果表明,本文建立的传热模型能够很好地预测低温混合工质在板翅式换热器内相变耦合传热过程。同时,对天然气液化流程中的三股流换热器预测效果也较为理想,并且发现通道排列对其换热性能影响显著。因此,进一步针对多股流板翅式换热器通道设计困难的问题,本文基于协同传热原理,提出通道排列改进原则,发展了根据换热通道与换热量成正比原则分配通道并且对称布置通道的直接设计方法。通过逐层传热模型模拟计算,并采用三个不同评价标准,对三个不同实例的换热器进行通道排列设计并与已有优化设计结果进行对比,结果表明,本文的通道设计方法优于已有的设计方案并具有快速设计的优点。本文的研究结果在工程应用中具有重要的理论指导和参考价值。