作为国家经济发展的重大需求,液化天然气(LNG)的贸易量与日俱增,其中作为LNG接收站中的关键设备,LNG气化器的形式多种多样。相比于其他类型气化器,浸没燃烧式气化器(SCV)具有热效率高,结构紧凑、启动较快等优点。目前,针对SCV传热特性的研究多停留在单因素考察,不能对管、壳层各潜在的传热影响因素进行综合评估,从而进一步阐明SCV传热的制约因素。本文针对SCV管、壳程的主要传热特点,搭建SCV冷模实验装置并设计多组实验,对管程入口温度、水浴温度、热空气温度、热空气进量和初始液位高度等多因素对传热的影响展开研究;此外,借助于数值模拟,更为细致地考察了实验难于研究的LNG在管内流动过程中的传热规律,并为SCV的传热计算选取适当模型,为设计和实际工程应用提供可靠基础。SCV壳程的流场形态及温度分布是影响其传热性能的关键,管程入口温度、壳程水浴温度、进气温度、进气量和初始液位高度等各因素均是决定壳程流场形态和温度分布的关键因素。为了评估各因素的综合作用机制,本文设计了多因素交叉的冷模实验,结果表明:(1)通过提高管程入口温度及水浴温度有助于减小换热管近壁处的边界层厚度及边界层内的传热热阻,从而强化传热;(2)进气量与初始液位高度对传热系数的影响主要反映在其对壳程流场两相流流速与空泡份额的影响上。进气量的增大和初始水浴高的降低均会引起空泡份额的增大,从而使得热导率较低的气体成为传热的主导介质,弱化了传热;然而,进气量的增大和初始液位高度的降低又同时会使得壳程两相流湍流程度加剧,在一定程度上强化传热。因此,进气量与初始液位高度之前存在一个最优比例使得壳程传热最为强烈,在实验考察参数范围内,当进气量为76 Nm~3/h时,初始液位高度435 mm下的壳程传热性能最佳;(3)由于气体比热较小,热空气进入水浴后迅速被冷却至水浴温度,故其对传热系数的影响较小。对于SCV管程的跨临界传热过程,其对实验条件的苛刻要求增加了实验研究的困难。相比之下,数值模拟对传热影响条件的控制更为方便且可实时监测管内流体沿管程的热物性以及传热性质改变。本文对天然气在蛇形换热管内的传热过程进行数值模拟,结果表明:(1)随着天然气温度的逐步升高,管内传热系数先增大后减小,在天然气的拟临界温度处达到峰值。随着管内流量的增加,天然气跨临界位置沿管程方向后移,使得管内的整体传热性能增强;然而,水浴温度或管程进口温度增加时,天然气跨临界位置均沿管程方向前移,且水浴温度温度的升高会使管内传热性能下降。因此,为了维持管内的高传热性能,水浴温度应在满足生产需要的前提下综合考虑管内外传热性能选择合理范围。(2)管程弯头处二次流对边界层的削薄作用,使传热得到强化,且当弯头曲率半径减小50%时传热强化效果增加11%;换热管环向传热情况的差异源于浮升力的作用下的管截面物性分布不均,使传热系数按管顶部<管侧部<管底部的规律分布。(3)对数值模拟所得的管内传热系数进行模型拟合发现Jackson&Hall模型能够准确预测天然气在蛇形换热管内的跨临界传热特性,平均误差小于5%。