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热管在鼓泡发酵罐中的创新应用与CFD数值深度剖析

一、引言

1.1研究背景

在工业生产领域，鼓泡发酵罐凭借其结构简单、操作稳定以及投资和维修费用低等显著优势，成为众多行业中微生物发酵的关键设备，在食品、医药、化工等行业发挥着举足轻重的作用。例如在食品行业，用于生产酸奶、酒类等产品；在医药领域，是生产抗生素、疫苗等生物制品的重要装备。其工作原理是依靠压缩空气通过多孔的空气分布器，将空气均匀地散布到整个培养液内，以此实现混合与传质，为微生物的生长和代谢创造良好条件。

然而，在实际运行过程中，鼓泡发酵罐在传热方面存在诸多棘手问题。以酵母培养为例，酵母培养属于好气发酵，代谢强度高，在培养旺盛期，发酵热可高达3.0-4.0×10?kJ/（m3?h）。但在工业生产中，传热温差较小，尤其是在夏季，若使用非冷冻水，温差仅在3℃-10℃左右。为了满足散热需求，就需要很大的换热面积和传热系数。目前，鼓泡发酵罐培养酵母时，常用夹套、蛇管或列管式换热器等热交换方式来移除多余的发酵热，进而控制发酵温度。但这些传统方式存在共同的弊端：一是发酵罐放大受到传热的限制，难以满足大规模生产的需求；二是需要较大的换热面积，增加了设备成本和空间占用；三是发酵罐内温度分布不均匀，影响微生物的生长和代谢；四是冷却水用量大，造成水资源的浪费，同时也增加了运行成本。在某些情况下，发酵温控甚至成为限制发酵水平提升和发酵成本降低的关键因素。因此，寻找一种高效的传热方式和传热元件，对于解决鼓泡发酵罐的传热问题，提高发酵效率和降低成本具有重要的现实意义。

热管作为一种高效的传热元件，具有独特的传热和结构特点。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，由毛细多孔材料构成。当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止，直到热管两端温度相等。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来，其导热效率远远高于传统的金属材料。将热管技术应用于鼓泡发酵罐，有望打破传统换热模式的局限，为解决鼓泡发酵罐的传热难题提供新的思路和方法。

1.2研究目的与意义

本研究旨在将热管技术创新性地应用于鼓泡发酵罐，并运用CFD（计算流体力学）数值分析方法，深入探究热管式鼓泡发酵罐内的流场特性、传热性能以及气液传质规律，具体目的如下：

优化发酵罐传热性能：通过在鼓泡发酵罐中引入热管，利用热管高效的传热特性，增强发酵罐的散热能力，改善罐内温度分布不均匀的状况，确保发酵过程在适宜且稳定的温度环境下进行。

提升发酵效率：借助CFD数值分析，全面了解热管式鼓泡发酵罐内的气含率、液体速度和液体温度分布等参数，优化发酵罐的结构和操作条件，提高气液混合效果和传质效率，进而提升发酵效率，增加产物产量。

降低生产成本：减少传统换热方式中对大量冷却水的依赖，降低水资源消耗和能耗，同时减小换热面积，降低设备成本，为工业生产带来显著的经济效益。

本研究对于提升发酵工业的生产水平具有重要的现实意义：一方面，在学术研究层面，丰富了热管技术在发酵工程领域的应用研究成果，为后续相关研究提供了理论依据和实践参考；另一方面，在工业应用方面，为鼓泡发酵罐的优化设计和技术升级提供了新的方向和方法，有助于推动发酵工业朝着高效、节能、环保的方向发展，提升我国发酵工业在国际市场上的竞争力。

1.3国内外研究现状

热管技术自1944年由美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler首次提出，并于1963年被美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover重新发明并命名以来，在全球范围内得到了广泛的研究和应用。在将热管技术应用于反应器方面，国内外学者开展了一系列研究，提出了多种热管反应器结构。然而，将热管技术应用到发酵罐的研究尚处于开发阶段。国内有学者对热管技术在鼓泡酵母发酵罐中的应用进行了探索，设计出新型的热管式鼓泡发酵罐，但在实际应用中的数据积累和深入分析还较为缺乏。国外在这方面的研究同样相对较少，主要集中在理论分析和初步的实验验证阶段。

CFD数值分析技术近年来在研究鼓泡发酵罐内的流动、混合和传热特性方面展现出卓越的优势。国内一些研究团队利用CFD软件对气升式内环流发酵罐的改造进行了模拟研究，结果表明加置内件可以有效促进气泡的分散，改善气液两相的混合，强化氧传递过程。国外学者也运用CFD技术对鼓泡塔内的气液流动和传质进行了模拟，为鼓泡塔的优化设计提供了理论支持。

尽管已有相关研究取得了一定成果，但目前仍存在一些不足：一是对于热管式鼓泡发酵罐的研究，缺乏系统的实验研究和数值模拟相结合的方法，导致对其内部复杂的物理过程理解不够深入；二是在