紧凑型换热器驱动过冷水动态制冰的实验研究及其在高效蓄冷中的应用

本研究针对冰浆（ice slurries）生产受限于工艺效率与时空成本的问题，通过设计紧凑型换热器（CHE-sw）和过冷水整流装置，以自来水与40%乙二醇溶液（40_Gs）为工质，实现了6.2 K的最大过冷度（ΔTsc）和8小时连续制冰（3.0–4.9 K工况），冰浆转化效率达15.2%–16.9%。该成果为食品保鲜、器官冷却等领域的高效蓄冷技术提供了新方案。

　　

在食品冷链、医疗低温保存和化工领域，冰浆（ice slurries）因其高储能密度、快速均匀冷却特性备受青睐。然而，传统制冰技术面临过冷度（ΔT_sc）不稳定、设备体积庞大及能耗高等瓶颈，制约其规模化应用。如何实现高效、连续的动态制冰成为行业痛点。

浙江师范大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，提出基于紧凑型换热器（Compact Heat Exchanger for Supercooled Water, CHE-sw）的创新方案。该研究通过优化换热器结构与过冷水流动控制，以自来水与40%体积乙二醇溶液（40_Gs）为工质，突破性地将过冷度提升至6.2 K，并实现8小时不间断制冰。实验表明，该系统可生成96.33–104.56 kg海绵状冰浆，能量转化效率达15.2%–16.9%，为工业级蓄冷提供了可扩展的技术路径。

关键技术方法

1. CHE-sw设计：采用高紧凑度换热结构，集成流动整流装置，抑制过冷水（supercooled water）提前结晶；
2. 双工质系统：以自来水与40_Gs为冷热侧介质，通过温差（δT_in）控制实现稳定过冷；
3. 温度调控策略：对比分析进水温度控制对能耗（E）与制冰效率的影响。

研究结果

1. 紧凑型换热器性能
   CHE-sw的传热系数（h）与对数平均温差（ΔT_m）显著优化，其外壳设计有效防止低温结露。

2. 实验系统与条件
   通过精确控制高低温侧（H/L）流量（q）和温差，在3.0–4.9 K过冷度下实现8小时连续运行，最大过冷度达6.2 K。

3. 结果与讨论

• 过冷度与持续时间呈负相关，但3.0–4.9 K区间可实现效率与稳定性的平衡；
• 控制进水温度使电能消耗降低12%，验证了系统能效优化的可行性。

结论与意义
Pengwei Cheng等提出的CHE-sw系统首次将动态制冰的连续性与高过冷度结合，解决了传统技术中断性生产的缺陷。该研究不仅证实了15.2%–16.9%的冰浆转化效率，更通过温控策略降低能耗，为医疗低温运输、食品工业等场景的可持续蓄冷提供了关键技术支撑。未来通过扩大换热面积（A）和工质配比优化，有望进一步推动该技术的商业化应用。