浸没燃烧天然气加热装置应用于管道天然气加热中较为新颖,相较于传统的水套炉加热方式,具有结构紧凑、能源利用率高的优势。本课题组研发出国内首台浸没燃烧天然气加热装置,并将其投入使用。该装置实际运行期间,天然气温升、烟气与水浴间的换热效果均能达到既定设计目标。但在前期加热装置换热计算中,由于水浴流动及传热的复杂性给设计工作带来较大困难。为简化该类型加热装置推广应用的换热计算流程、提升换热效率。本文结合加热装置实际运行数据,对其水浴传热特性进行理论分析与数值模拟研究,以期为国内后续浸没燃烧加热装置的研发和设计提供参考依据。首先,本文介绍了加热装置的应用背景,简述国内外常用的天然气加热技术,归纳整理了与加热装置传热机理相类似的气液两相流横掠管束传热研究现状。最终选择水浴临界蒸发温度60℃作为换热设计参数,并且对加热装置内部水浴传热过程进行理论分析计算,选择合适的关联式得到设计综合传热系数。为后续加热装置的水浴传热特性分析奠定理论基础。其次,结合加热装置在不同功率稳定运行时的实测数据,分析加热装置换热系统温度分布特性,结果表明:烟气对水浴整体扰动效果较好,水浴各层温度分布较为接近,且烟气与水浴热交换充分,烟气排放温度低于水浴温度,表明加热装置的换热结构布置合理;随着加热装置运行功率增大,烟气对水浴的扰动更为剧烈,水浴稳定温度和天然气换热温差均会有所升高。然后,通过理论计算水浴综合传热系数并进行分析,明确了水浴温度与被加热天然气流量对实际综合传热系数的影响程度。又利用实际管外对流换热系数反算得到水浴流速值,拟合得到功率与水浴流速的关系式,通过拟合式计算加热装置在200kW运行时水浴流速为0.59m/s,为同结构类型的换热器设计时的水浴流速取值提供参考。再通过加热装置实测数据对管内对流换热系数进行计算,通过数据拟合的方式得到额定设计工况下的实际综合传热系数,计算结果为1709.50W/(m~2·K)。最后,通过计算流体力学数值模拟的方法,得到加热装置不同功率运行时的速度场和温度场分布,直观反映了烟气对水浴的扰动程度及传热特性。同时,在几何模型的换热管束区域创建监测点,利用密度区分点的性质,通过监测点为水的平均速度对上述传热反算得到的水浴流速进行验证。