管壳式换热器常被用作天然气液化流程中的预冷冷凝器,是液化流程中的关键换热设备。管壳式换热器在用于天然气液化预冷流程时,天然气混合冷剂流经换热器壳侧,低温海水流经换热器管侧。通常在管壳式换热器壳侧安装折流板来增加制冷剂的流速以达到强化换热的目的。相较于传统的弓形折流板,螺旋折流板能够有效减小流动阻力、减少流动死区、有效缓解换热器的振动等,因此螺旋折流板管壳式换热器通常被用作海水冷凝器。鉴于混合冷剂与纯冷剂换热特性的差异,研究螺旋折流板管壳式换热器壳侧的流动冷凝特性,对于优化换热器结构以及防止换热器失效等具有重要的意义。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法研究天然气在螺旋折流板管壳式换热器壳侧的流动冷凝特性,主要的研究工作包括:首先,设计并搭建了研究螺旋折流板管壳式换热器壳侧流动冷凝的实验装置。该实验装置能够实现对测试样件的入口干度、热流密度、质流密度等参数的控制,以测试不同工况下螺旋折流板管壳式换热器的换热性能。其中,测试样件的冷凝压力、热流密度和质流密度等参数与实际液化天然气工厂应用工况相接近。实验测试样件为一台小型卧式螺旋折流板管壳式换热器,其管径、管排布置及折流板结构参数等均基于实际海水冷凝器进行设计。并在测试样件上设置了高压玻璃视镜,用于观测测试样件壳侧的两相流型。通过对实验误差进行分析,实验得到的换热系数相对误差在±10.5%以内。其次,实验过程中随着质流密度和干度增加,分别观测到了滴状流、滴柱状流和柱状流。实验研究了纯冷剂丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂(配比0.5/0.5)在螺旋折流板管壳式换热器壳侧两相流动冷凝换热特性,得到了入口干度、热流密度和质流密度等参数对换热器壳侧流动冷凝换热特性的影响规律。在实验工况范围内,两种介质丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂受干度、热流密度和质流密度的影响规律接近。在干度0.4~0.9范围内,换热器壳侧换热系数随干度增大逐渐增大;当干度增加为1时,换热系数急剧减小。随热流密度的增加,丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂壳侧换热系数均单调递增,且增长速度逐渐变小。随质流密度增加,丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂壳侧换热系数均单调递增。与纯丙烷相比,乙烷/丙烷混合冷剂的换热系数减小35%~65%左右。再次,在现有管束冷凝换热关联式的基础上分别开发了适用于丙烷和乙烷/丙烷混合冷剂的管壳式换热器壳侧流动冷凝换热关联式。对于纯丙烷壳侧流动冷凝,新关联式的预测值与95%实验数据误差在±20%以内;对于乙烷/丙烷混合冷剂壳侧流动冷凝,新关联式的预测值与92%实验数据误差在±20%以内。最后,为了更好的研究螺旋折流板管壳式换热器壳侧两相流动的气液相分布规律,本文采用数值模拟的方法对换热器壳侧进行模拟研究,并将模拟结果与实验观测结果进行对比。模拟对象为与实验测试样件结构相同的几何模型,并采用VOF多相流计算模型进行计算。模拟得到了换热器壳侧气液相分布、压力分布、流动迹线等。模拟得到的气液相分布结果与实验观测的流型结果相一致。