基于實驗教學通風櫥的冷卻水循環系統

杜俊平，封珊珊，魏少龍，趙 宇，秦含露，李 慶，史崠瑛

（鄭州輕工業大學 材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002）

通風櫥是一種能將毒害氣體排出，保護實驗者人身安全的設備，是化學相關類實驗室必備的設備之一[1-5]。實驗教學用通風櫥一般選用雙開落地式結構（見圖1），每組通風櫥由2個雙開式通風櫥組合而成，能滿足4組學生同時進行實驗。該類通風櫥具有對開的透明視窗，指導教師可通過透明視窗同時觀察所有實驗人員的操作情況，管理和監控全場，保證實驗人員的安全。為了降低安全風險，不必要的設備與藥品等一般統一存放在倉庫內，使用前由專業的實驗員統一分發。然而，該通風櫥結構及管理方法仍存在如下問題：①通風櫥底柜閑置；②通風櫥框體的存在和操作臺面的寬度與實驗員臂展的長度不完全契合，操作臺面上紅色區域閑置或部分閑置；③由于通風櫥內冷卻水系統的排布不當引起使用安全問題，尤其是冷卻水問題，通常是引起實驗室重大安全事故的誘因。

圖1 雙開落地式通風櫥

冷卻水系統[6-7]是通風櫥的關鍵配備之一。現有技術一般在紅色區域1內安裝水龍頭，采用自來水作為冷卻水。盡管該操作省去了流體輸送設備的費用和部分操作費用，但是自來水水壓不穩，水壓較低時，冷卻效果不佳，增大了反應體系爆裂的風險；水壓過高，管道接口容易被沖開，造成實驗室水災的發生；另外，載熱后依舊清潔的自來水作為廢水直接排到下水道中，造成了水資源的嚴重浪費，同時增加了廢水排放量。

為了解決冷卻水問題，工業上常采用冷卻水循環系統[8-9]，該系統具有顯著的節能減排效果。然而，由于實驗教學對可觀察性、可動手性、實驗時間、耐操作性和性價比等的要求，該系統并不能直接用于實驗教學。張安平等[10]設計了一種用于實驗室的預警式冷卻水循環裝置，可以解決無人看守情況下長時持續實驗時，突發狀況導致水資源浪費和意外事故的問題。張孝然等[11]發明了一種實驗室冷卻水循環系統，解決了系統運行成本高的問題。唐紫超等[12]發明了一種內部獨立的水循環系統，有效地節約了水資源。這些研究表明冷卻水循環系統的節能減排效果毋容置疑，但針對實驗教學特點，通風櫥內冷卻水循環系統的設計還鮮有報道。

本文結合實驗教學用通風櫥特點及實驗室管理方法，針對實驗教學特點，設計了一種冷卻水循環系統，并研究了設備選型、安裝排布、實施操作與性能，同時進行了使用風險和經濟評估。該設備對于提高實驗教學用實驗室安全和節能減排具有重要的意義和價值。

1 冷卻水循環系統

1.1 結構組成

冷卻水循環系統包括儲水系統、流體輸送系統、冷卻系統3部分（見圖2）。

圖2 冷卻水循環系統結構示意圖

儲水系統包括儲水槽和液位計。儲水槽①可選用圓形、正方形或長方形等，不銹鋼或塑料材質。儲水槽與增壓泵②的進水管路密封相連。液位計⑦可選用透明玻璃或透明硬質塑料管材，下端連接于儲水槽最低允許水位處，上端連接于最高允許水位處。流體輸送系統包括輸送設備和管路。流體輸送設備選用增壓泵②。增壓泵的進出水管路均可采用塑料管、不銹鋼管等材質；增壓泵出水管路即進水管路⑤與冷卻系統密封相連。流體輸送管路包括增壓泵的進水管路、進水管路⑤和回水管路⑥均為圓形管路系統，可采用不銹鋼、乳膠、橡膠材質或3者的組合。冷卻系統包括換熱器和控制閥。換熱器③可為回流冷凝管、旋轉蒸發儀上的換熱器等。換熱器的冷卻水進水管路上連接控制閥④，用以控制換熱器。

1.2 設備與材料

玻璃管、塑料管、不銹鋼管、密封墊片、閥門、水箱接頭、四通接頭、喉箍、密封膠帶、溫度計、溫度傳感器、量筒、冷卻設備、增壓泵（型號：RGB15/10，重慶恒格爾泰機電設備有限公司生產）等由河南省豐唐商貿有限公司提供。儲水槽由河南領創儀器設備有限公司加工。

2 設備選型、安裝與排布

由于該系統的設備型號與組合連接方式均具有多樣性和靈活性，并且與教學用通風櫥結構密切相關，本文將以我院基礎有機化學實驗室內的冷卻水循環系統的設計、安裝和排布為例描述，確保系統的可操作性與準確性。

2.1 設備選型

我院教學用通風櫥的結構見圖 1。根據通風櫥底柜的尺寸，選用尺寸為600 mm×350 mm×380 mm的不銹鋼儲水槽。流體輸送設備選用增壓泵（RGB15/10）。這是由于增壓泵價格低廉，能有效降低設備費用；另外，增壓泵體積小，可與儲水槽同時放置于通風櫥底柜內，在提高通風櫥有效利用率的同時，降低了設備的室內空間占用率，提高了使用安全性；同時，增壓泵的電源線可用電器連接到底柜側面的電源插座上，避免系統漏水對用電系統的影響；還可通過改變增壓泵出水管內的壓力啟動或關閉增壓泵，降低學生對電源的接觸率，提高使用安全性。增壓泵的進水管路、進水管路⑤采用塑料管，連接控制閥門的部分采用不銹鋼管，控制閥門與換熱器之間的管路采用橡膠管或乳膠管。塑料管價格低廉且柔軟，便于按要求排布；不銹鋼管剛性強，便于支撐；控制閥門可根據價格和耐用性進行考量。換熱器以球形冷凝管為例?；厮到y⑥選用橡膠或乳膠管，柔軟，便于排布。

2.2 安裝與排布

系統的安裝排布見圖 3。儲水槽和增壓泵安裝在通風櫥底柜內，靠近通風櫥框體。增壓泵出水管路沿通風櫥框體上行，在通風櫥紅色區域2內排布控制閥，控制閥出水口連接橡膠管路，橡膠管路連接冷凝管冷卻水入口，冷卻水出口連接回水管路，回水管路穿過通風櫥紅色區域1內的開孔沿操作臺面的下底面回到儲水槽，形成循環。

圖3 冷卻水循環系統的排布圖

儲水槽與增壓泵的排布見圖 4。儲水槽底部正對柜門的側面用手電鉆打孔，通過水箱接頭固定并密封連接增壓泵進水端。增壓泵出水端與進水管路密封相連。增壓泵電器連接底柜側面的插座。儲水槽安裝液位計，液位計的下端應稍高于增壓泵進水端，保證增壓泵的安全運行。

圖4 儲水槽與增壓泵的排布圖

冷卻系統的排布見圖 5。其進水端與增壓泵出水端密封相連，另一端隨通風櫥框體向上，穿過操作臺面上的鉆孔，到達操作臺面。操作臺面上的進水管路包括進水管路 1、2、3。進水管路 1采用塑料材質，與進水管路2密封鏈接。進水管路2采用不銹鋼材質，通過三通和四通閥門連接4個控制閥門。冷卻系統排布于通風櫥紅色區域2內，有效地提高了通風櫥操作臺面的利用率，同時，管道的整齊排布提高了操作安全性。4個控制閥門分別與4個進水管路3的進口端密封相連，4個進水管路 3的出水端分別密封連接 4個換熱器的冷卻水進口端。換熱器冷卻水出口端連接回水管路，回水管路通過紅色區域1內的鉆孔，沿操作臺面的下平面排布，回流至儲水槽內。需要明確的是，回水管路的出水端需固定于儲水槽內壁上并深入到儲水槽底部，避免其沖出儲水槽，引發水患。冷卻水循環系統的所有管道接口均采用喉箍固定，避免接口處沖開造成水患。

圖5 冷卻系統的排布圖

3 實施操作與性能

3.1 實施操作

使用前檢查儲水槽內的水位和水質。若無水或水位過低，可通過自來水水龍頭經橡膠管往儲水槽注水；若水質較差，可打開增壓泵，經控制閥和進水管路 3將污水排入下水道后再注水。使用時按圖3連接冷凝管，接口處喉箍固定。輕觸進水管路1，開啟增壓泵。使用完畢，再次輕觸進水管路1，增壓泵停止工作。

3.2 操作性能

儲水槽內水溫是影響設備冷卻效果的重要因素。為了考察設備的操作性能，設計如下實驗：往儲水槽加入2/3水位的水，水的密度按照常溫計算，取1 000 kg/m3，儲水量為：0.6×0.35×0.38×2÷3×1 000=53.2 kg；室溫22 ℃下，于130 ℃油浴溫度下回流正丁醇，對正丁醇蒸汽冷凝，測定儲水槽內的水溫隨冷卻循環時間的變化，結果如圖6所示。隨著冷卻循環時間的延長，儲水槽內的水溫逐漸升高，這是由于冷卻水經過冷凝管時帶走了熱量并回流至儲水槽所致。觀察冷凝管內蒸汽上升的高度，若高度過高，說明冷卻效果不好，可通過向儲水槽內加入冰塊降低水溫，提高冷卻效果。前90 min內，水溫上升沒有明顯的規律，之后，水溫隨冷卻循環時間的增加成直線關系，總冷卻循環時間225 min內，水溫共升高7.1 ℃，說明針對有限的實驗教學時間（225 min內），在不加冷卻裝置或冷卻劑的前提下，該系統能較好地滿足實驗教學的要求。并且，學生親自觀察回流情況判斷冷卻效果，決定是否添加冷卻劑，能更好地提高學生的參與度與學習積極性，有利于提高實驗教學效果。

圖6 儲水槽水溫變化圖

4 風險評估

教學用實驗室人員密集，水電問題需要引起高度重視。本文對該系統使用過程中可能存在的風險進行了評估?？赡艽嬖诘陌踩L險主要有用電風險和漏水風險兩種。

4.1 用電風險

該裝置的用電風險為增壓泵。增壓泵安裝在通風櫥底柜內，電源連接到底柜左側柜體一定高度處的插座上，并安裝防水插座，有效地避免儲水槽漏水或回水濺起的水滴對電源接口處的影響。輸送設備位于通風櫥底柜內，關閉柜門，對學生活動空間沒有影響，說明該裝置的結構、安裝與排布能從根源上降低用電風險。

4.2 漏水風險

該裝置存在漏水隱患的情況為：儲水槽漏水、輸送系統漏水、回水管出水端漏水、儲水槽水內水花濺出造成的漏水。該裝置儲水槽采用一體成型式塑料水箱或不銹鋼水箱，采取教師定期檢查，實驗前學生檢查等手段，較好地避免了儲水槽漏水。各輸水管道連接口處采用喉箍固定，并定期檢查，隨時更換老化的管路，避免水管接口處沖開引起漏水，降低輸送系統的漏水風險?；厮艹鏊斯潭ㄔ趦λ鄣撞?，避免了其從儲水槽內飛出；同時，使出水從下往上流動，避免了水面上水花飛濺。儲水槽上端加蓋，進一步避免水花飛出，有效地降低漏水風險。由上可知，該裝置已從管路排布和安裝的根源上降低了漏水風險。

5 經濟評估

該裝置的經濟評估包括設備費用評估、操作費用評估、對比分析3個部分。

5.1 設備費用評估

該裝置的設備和費用如表1所示。

另外需預留設備耗材更換費用500元，設備總費用共計1125元。設計使用年限按15年算，若按照每年10個月，每月使用時長100 h計算，則設備損耗費為：1125÷100÷10=1.125元/h。

表1 裝置設備和費用明細

5.2 操作費用評估

增壓泵的輸入功率為100 W，電費按照0.6元/(kW·h)計算，則每小時電費為100W÷1 000×0.6=0.06元；每年換10次水，每次儲水槽水量為53.2 kg，則每年用水量為532 kg，水費按照4元/噸計算，則水費為532÷1 000÷1 000×4=0.002元/h；更換下的水可用來清洗試驗過程中用到的玻璃器皿，所以實際每小時操作費用小于0.06元/h+0.002元/h=0.062元/h，按照0.062元/h計算。

5.3 對比分析

由上述設備費用和操作費用評估可知，設備運行所需費用為：0.062元/h+1.125元/h=1.187元/h。年用水量為532 kg。若不使用該冷卻水循環裝置，運用量筒和秒表，記錄一定時間內水龍頭出水量，實際測定正常情況下單個水龍頭的流量（見表2）。由表2可計算出單個水龍頭流量的平均值大小為 213 kg/h，根據平均值計算出 4組同學同時做實驗時用水量為 213×4=852 kg/h，年用水量為 852×100×10=8.52×105kg。由此可知，冷卻水循環系統的安裝，每年可節水 8.51×105kg，節水減排效果顯著。自來水每小時水費為：852÷1 000×4=3.408元，冷卻水循環系統可有效節省水費3.408–1.187=2.221元/h，經濟效果顯著。

表2 實驗室單個水龍頭水流量

6 結論

本文完成了一種實驗教學用通風櫥內冷卻水循環系統的設計、設備選型、安裝與排布。研究了該系統的操作實施與性能，對其使用風險和經濟價值進行了評估。結果表明：通過合理的安裝排布，該系統能有效地利用通風櫥內的閑置區，降低了冷卻水使用過程中存在的安全風險；經濟評估結果顯示該設備造價低、靈活性高，節省水費2.221元/h每年一組通風櫥能節水減排 8.51×105kg。實施操作過程中需要學生隨時觀察決斷，提高了學生的參與度與學習積極性。該冷卻水循環系統既可在新實驗室安裝，也適用于舊實驗室改造。