分别评估两种负荷，然后根据它们的时间关系和峰值影响，对冷却系统进行选型和运行，使其能够应对两者的综合作用。 产品冷却负荷是指必须从产品中移除、使其达到目标核心温度的热量；而系统冷却负荷是指在运行之前或运行期间，从浴液、容器、盘管和结构材料中移除的热量。设备选型不仅必须考虑总能量，还必须考虑每种负荷何时发生，以及制冷系统能否承受由此产生的峰值需求。
即使冷却浴具有足够的制冷能力来冷却产品，如果还必须同时将自身从环境温度冷却下来，也可能发生过载。预冷冷却浴并将其维持在运行温度，通常能够提供更可靠的温度控制、更短的批次周期以及更低的压缩机负荷。
为什么必须区分这两种负荷
产品冷却负荷
产品负荷是一种瞬态传热任务。它取决于产品质量、比热容、初始温度、目标温度、几何形状，以及热量从产品核心传递到冷却边界的速率。
对于性质近似均匀的产品，总显热通常可表示为：
[ Q_{\text{product}} = m C_p (T_{\text{initial}} - T_{\text{target}}) ]
该能量计算可以确定总体冷却任务，但其本身并不能确定所需的制冷能力或冷却时间。
系统冷却负荷
冷却负荷是指将浴液和设备质量从其起始温度降至运行温度所需移除的能量。它包括液体冷却浴、容器或罐体、管道、盘管、夹具、绝热接口，以及其他初始温度较高的材料。
一个有用的初步估算公式为：
[ Q_{\text{cooldown}} = \sum_i m_i C_{p,i}(T_{\text{initial},i} - T_{\text{operating}}) ]
在冷却浴能够提供预期的低温环境之前，制冷系统必须移除这些能量。
两种负荷的发生时间不同
产品负荷通常在产品加入冷却浴时出现。冷却负荷则在设备开始运行时高于运行温度的情况下出现，通常发生在加入产品之前。
这一差异非常重要，因为制冷系统可能能够在较长批次周期内移除产品热量，却无法在处理高温产品装料的同时，快速将温热的冷却浴降至目标温度。
如何评估产品热负荷
确定产品温度曲线
记录冷却开始时的产品温度、要求达到的最终核心温度，以及运行期间不得超过的任何温度限制。当产品已包装、具有较高黏度或几何尺寸较大时，仅测量表面温度是不够的。
应同时确定目标冷却时间和目标温度。即使系统最终能够达到目标温度，如果达到目标的速度过慢，也可能不适用于该单元操作。
考虑几何形状和非稳态传热
对于圆柱形、已包装或其他厚度较大的产品，其中心冷却速度会慢于表面。工程师应使用适用于产品几何形状的非稳态导热模型，而不是将整个产品视为温度瞬间均匀。
模型应反映产品的热性质以及冷却浴界面的有效传热边界。当冷却时间、产品质量或微生物稳定性取决于核心温度时，这一点尤为重要。
纳入工艺产生的热量
在生物工艺应用中，产品或培养液在冷却开始后可能仍会持续产生热量。因此，总工艺负荷可能包括：
- 产品冷却时释放的显热。
- 微生物代谢或放热反应产生的热量。
- 搅拌和黏性耗散产生的机械热。
- 通过罐壁、管道及其他温热连接部位进入的热量。
对于发酵或反应系统，主动冷却需求不仅是达到更低温度所需移除的能量，还必须持续抵消热量生成，以维持运行温度。
评估流变性质的变化
起初像水一样传热的培养液，可能会随着细胞密度或菌丝体含量增加而变得明显更加黏稠。总体传热系数随之降低，可能使同一个夹套、盘管或外部换热器逐渐失去效果。
因此，应在预期最不利的流变条件下评估冷却性能，而不能只使用新鲜培养基或未接种液体进行评估。
如何评估系统冷却负荷
清点所有热容质量
评估应包括以下部分的质量和热容量：
- 冷却浴液体。
- 冷却浴容器和围护结构。
- 内部盘管、换热器和夹具。
- 与产品接触的设备。
- 运行期间需要冷却的连接管道和阀门。
- 与冷却浴存在热耦合的任何其他材料。
忽略设备质量可能会严重低估启动期间所需移除的能量。
确定起始条件
应根据实际或最不利的初始条件计算冷却过程。起始温度接近环境温度的冷却浴，与已经维持在运行设定点附近的冷却浴，其负荷完全不同。
分析应区分冷启动、温启动和连续温度控制运行。这些属于不同的运行工况，不应由一个平均负荷来代表。
纳入所需的降温时间
总冷却能量只是设备选型问题的一部分。所需制冷速率近似为：
[ \dot Q_{\text{cooldown}} = \frac{Q_{\text{cooldown}}}{t_{\text{pull-down}}} ]
降温时间越短，所需制冷能力越高。如果在冷却浴达到运行温度之前就加入高温产品，制冷系统必须同时处理剩余的冷却负荷和产品负荷。
根据综合负荷选择设备
区分能量容量和速率容量
总能量决定整个运行过程中必须移除多少热量。速率容量则决定系统能否在要求的温度和预期运行条件下足够快地移除这些热量。
因此，设备选型应将系统可用制冷能力与相关的同时发生峰值进行比较：
[ \dot Q_{\text{required}} = \dot Q_{\text{product}} + \dot Q_{\text{equipment}} + \dot Q_{\text{process}} + \dot Q_{\text{gains}} ]
只有在这些负荷同时发生时才应将其相加，但必须评估所有可信的负荷重叠情况。
检查实际运行温度下的容量
制冷能力通常取决于运行条件，包括冷却浴温度和可用于传热的温差。在不同条件下获得的额定值，可能无法代表低温冷却任务期间可用的制冷能力。
选型评审应使用制造商在目标冷却浴温度、环境条件、流体成分和流量下提供的数据。
评估连续运行和批次运行模式
中试装置可能采用预冷冷却浴、持续维持温度的冷却浴，或每日冷启动。每种模式都会产生不同的负荷曲线。
分析应比较每种模式下的产品负荷、冷却负荷、峰值负荷、恢复时间以及预期压缩机启停频率。这样可以将运行策略纳入设备设计，而不是事后才考虑。
在生物反应器应用中纳入工艺热
对于生物反应器，冷却系统必须能够处理发酵或其他放热转化过程中产生的热量。当搅拌和黏性耗散负荷与生物热生成重叠时，系统还必须能够处理其峰值热负荷。
准确的负荷估算需要批次体积、浆液相对密度、平均热容量、反应热、搅拌条件以及预期温度曲线。
了解其中的权衡
从温热的冷却浴开始
将高温产品加入未冷却的冷却浴，会把产品负荷与设备冷却负荷叠加在一起。冷却浴温度可能迅速升高，温度控制可能失效，压缩机还可能经历严重的高负荷降温工况。
反复以这种方式运行，可能增加压缩机负荷并导致设备过早损坏。
制冷系统过度选型
选择大得多的系统可以缩短降温时间，但也可能带来成本、控制、效率和频繁启停方面的负面影响。过度选型无法弥补热接触不良、流体循环不足或低估产品侧传热阻力的问题。
制冷能力必须与实际负荷曲线相匹配，并能够在预期运行范围内进行控制。
每天关闭系统
在运行间歇关闭制冷系统可以减少部分待机能耗，但每次启动时都会重新产生设备冷却负荷，还可能延长冷却浴达到生产就绪状态所需的时间。
对于频繁运行的中试装置，将绝热冷却浴维持在受控温度下，可能减少重复降温负荷，并提供更稳定的批次可用性。
仅依赖总体能量平衡
总体能量平衡可能显示总制冷能量足够，却遗漏一个短时间的高需求阶段。产品几何形状、黏度变化、循环不良以及同时发生的工艺热，都可能使实际冷却时间长于总体计算所预测的时间。
能量平衡应与瞬态传热分析相结合，并在具有代表性的运行中进行验证。
如何将其应用于您的项目
首先建立负荷矩阵，针对每种中试装置场景确定初始温度和目标温度、热容质量、工艺热源、所需冷却时间以及运行模式。
- 如果您的主要关注点是设备选型：分别计算产品负荷、冷却负荷、工艺产热负荷和热增益负荷，然后根据实际冷却浴运行条件下最可信的同时发生峰值进行选型。
- 如果您的主要关注点是产品质量：应以实测或模拟的核心温度和冷却时间为验收依据，同时考虑产品几何形状、包装、黏度以及传热系数的变化。
- 如果您的主要关注点是压缩机可靠性：在加入高温产品之前预冷冷却浴，避免在生产启动期间反复施加完整的设备降温负荷。
- 如果您的主要关注点是能源效率：比较每日冷启动与绝热、持续温度控制运行两种方式，同时考虑制冷能耗和批次周期时间。
- 如果您的主要关注点是生物工艺温度控制：在主动冷却负荷中纳入代谢热、反应热、搅拌耗散热，以及预期最不利的培养液流变性质。
将产品热负荷和系统冷却负荷视为彼此独立但可能重叠的任务，可以为工艺工程师选择设备并可靠运行冷却浴提供有据可依的基础。
总结表：
| 评估领域 | 关键因素 | 设计或运行措施 |
|---|---|---|
| 产品冷却负荷 | 产品质量、比热容、几何形状、黏度、初始核心温度和目标核心温度 | 建立瞬态传热模型并验证所需冷却时间 |
| 系统冷却负荷 | 冷却浴液体、容器、盘管、管道、夹具及其他热容质量 | 根据实际起始条件计算降温能量 |
| 工艺热 | 代谢热、反应热、搅拌热、黏性耗散热和热增益 | 在峰值负荷计算中纳入同时发生的热源 |
| 容量选型 | 制冷速率、运行温度、流量、环境条件和负荷重叠时间 | 使用制造商数据，按照最可信的同时发生峰值进行选型 |
| 运行策略 | 冷启动、温启动、预冷和连续温度控制 | 在条件允许时，在加入高温产品前预冷冷却浴 |
| 验证 | 核心温度、冷却时间、恢复时间和压缩机启停频率 | 在具有代表性的中试装置运行中确认性能 |
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