節能型實驗用冷卻水循環水箱的設計

范嘉園，張立華，金遠航，尹小瑞，霍春紅

(遼寧科技大學 化學工程學院，遼寧 鞍山 114051)

高校化學實驗室進行的許多實驗通常要用到大量的冷凝水[1-4]。目前，冷凝水多是利用自來水直接冷凝，水只能一次性的使用，使用后冷卻水則直接排放至下水道。

在一堂基礎物理化學實驗之一的“液體飽和蒸汽壓測定”[4]實驗中，每套儀器都要用到冷凝水，實驗時間長約4 h，實驗班級較多，浪費了大量的水資源。在實驗的過程中有時會遇到突然的停水，實驗將無法繼續進行。

我國的淡水資源十分缺乏，高校的實驗用冷卻水造成的浪費現象十分嚴重，研制一種節水裝置，耗能少又能使冷凝用水得以循環使用，還可以解決在實驗過程中的突然停水問題十分必要。

調研結果表明，目前市場上沒有符合上述要求的專門的裝置出售，因此這項工作實際意義極大。

1 水箱的設計

結合現有的實驗室條件，設計了一種小型的化學實驗用冷凝水循環裝置[5]。將每個實驗臺儀器配置的冷凝管用乳膠管串聯，采用循環泵代替以往的直流方法將冷凝水循環使用，在儲水池中加入冰盒(冰盒可以更換重復使用)，可以降低水的溫度；即使實驗過程中突然停水，儲水池里的水也可以完成后面的實驗。

1.1 主要元件

外箱(390 mm×290 mm×250 mm)，智能控溫儀(TN99)、報警器、熱電偶、循環泵(Typ SP2766，35W)、儲水箱(260 mm×190 mm×160 mm)，冰盒(可用礦泉水瓶代替)，銅閥門、管接頭、開關、電線、螺絲、熱縮管。

1.2 水箱結構示意圖

1水箱本體、2出水管、3回水管、4冷凝管、5外箱、6箱蓋、7內水箱(儲水池)、8循環泵、9冰盒、10溫控器、11溫控器開關、 12聲光報警器、13電源開關、14容量刻度圖1 冷卻水循環水箱結構圖

節能型冷凝水循環水箱結構示意圖如圖1所示。

1.3 工作原理

利用冷凝水循環水箱，可以將實驗臺上的各冷凝管用乳膠管串聯，使冷卻水由儲水池經循環泵帶動流進第一個冷凝管，依次進入第二、第三個……冷凝管，再從最后一個冷凝管流回到儲水池。實驗過程中，冷凝水經過幾個冷凝管后，水溫會有所上升，當水溫超過設定溫度時，警報器會閃動并發出警報。此時向儲水池內加入冰盒，水溫會迅速降低，達到設定要求，警報器不再閃動和報警，保證冷凝效果。也可以提前在儲水池內加入幾個密封冰盒，儲水池的水溫會遠低于設定溫度。

2 節能效果

實驗用水的消耗量計算(以遼寧科技大學物理化學實驗“液體飽和蒸汽壓的測定”實驗為例)：

實驗臺上7臺儀器的冷凝管串聯在一起，每組實驗進行3.5 h。

使用水箱前每學年耗水量：自來水流速2000 mL/min=120 L/h，

耗水量：120 L/h×3.5 h =420L = 0.42 m3

使用水箱后：

儲水池中水4000 mL，冷凝管內水300 mL×7，連接的橡膠管內水500 mL，冰盒體積500 mL(可重復使用)。

4000 mL+300 mL×7+500 mL = 6600 mL = 6.6 L = 0.007 m3

節水效果：使用前/使用后 = 0.007 m3÷ 0.42 m3= 1/60

水箱耗電量：水泵的功率15W，實驗進行3.5 h的操作，耗電15 W×3.5 h=52.5W·h=0.053度，能源消耗很少。

每學年62個班次進行該項實驗，未使用水箱時0.42 m3×62=26.04 m3，使用水箱仍然是0.007 m3，節水效果：使用前/使用后 = 0.007 m3÷ 26.04 m3= 1/3720，節約了大量的自來水資源。耗電15 W×3.5 h× 62=3255 W·h=3.3度。

3 水箱的優點

(1)使實驗用冷凝水得到循環利用，節約了大量的自來水資源。

(2)外置冰盒，既能降低循環水的溫度，又不增加冷凝用水的體積。

(3)對于密閉性要求較嚴格裝置上的冷凝管，清洗時直接在水池內加入清洗劑即可。

(4)實驗過程中遇突然停水，也能保證實驗的順利進行。

(5)功率小，節約電能。

(6)箱體小，方便移動，實用性強。

[1]周建敏，蔡 潔.物理化學實驗[M]. 北京:中國石化出版社,2012:47-50.

[2]呂仁剛，胡耀云，朱珮珣，等.有機化學實驗中水冷凝系統的改進[J].山東化工,2015,44(2):105-106.

[3]王 蕊，趙 晶，王俊茹，等.化學實驗冷凝水的循環再利用[J].天津化工,2002(4):29-30,34.

[4]邱金恒，劉爾康，吳 強.物理化學實驗[M].北京:高等教育出版社,2010:25-28.

[5]范嘉園，張立華.節能型實驗用冷卻水循環水箱：中國，201621297200.9[P].2017-05-02.