節(jié)能型實(shí)驗(yàn)用冷卻水循環(huán)水箱的設(shè)計(jì)

范嘉園，張立華，金遠(yuǎn)航，尹小瑞，霍春紅

(遼寧科技大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的許多實(shí)驗(yàn)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(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一的“液體飽和蒸汽壓測(cè)定”[4]實(shí)驗(yàn)中，每套儀器都要用到冷凝水，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)約4 h，實(shí)驗(yàn)班級(jí)較多，浪費(fèi)了大量的水資源。在實(shí)驗(yàn)的過程中有時(shí)會(huì)遇到突然的停水，實(shí)驗(yàn)將無法繼續(xù)進(jìn)行。

我國的淡水資源十分缺乏，高校的實(shí)驗(yàn)用冷卻水造成的浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，研制一種節(jié)水裝置，耗能少又能使冷凝用水得以循環(huán)使用，還可以解決在實(shí)驗(yàn)過程中的突然停水問題十分必要。

調(diào)研結(jié)果表明，目前市場(chǎng)上沒有符合上述要求的專門的裝置出售，因此這項(xiàng)工作實(shí)際意義極大。

1 水箱的設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件，設(shè)計(jì)了一種小型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)用冷凝水循環(huán)裝置[5]。將每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)儀器配置的冷凝管用乳膠管串聯(lián)，采用循環(huán)泵代替以往的直流方法將冷凝水循環(huán)使用，在儲(chǔ)水池中加入冰盒(冰盒可以更換重復(fù)使用)，可以降低水的溫度；即使實(shí)驗(yàn)過程中突然停水，儲(chǔ)水池里的水也可以完成后面的實(shí)驗(yàn)。

1.1 主要元件

外箱(390 mm×290 mm×250 mm)，智能控溫儀(TN99)、報(bào)警器、熱電偶、循環(huán)泵(Typ SP2766，35W)、儲(chǔ)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(guān)、電線、螺絲、熱縮管。

1.2 水箱結(jié)構(gòu)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(nèi)水箱(儲(chǔ)水池)、8循環(huán)泵、9冰盒、10溫控器、11溫控器開關(guān)、 12聲光報(bào)警器、13電源開關(guān)、14容量刻度圖1 冷卻水循環(huán)水箱結(jié)構(gòu)圖

節(jié)能型冷凝水循環(huán)水箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.3 工作原理

利用冷凝水循環(huán)水箱，可以將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的各冷凝管用乳膠管串聯(lián)，使冷卻水由儲(chǔ)水池經(jīng)循環(huán)泵帶動(dòng)流進(jìn)第一個(gè)冷凝管，依次進(jìn)入第二、第三個(gè)……冷凝管，再從最后一個(gè)冷凝管流回到儲(chǔ)水池。實(shí)驗(yàn)過程中，冷凝水經(jīng)過幾個(gè)冷凝管后，水溫會(huì)有所上升，當(dāng)水溫超過設(shè)定溫度時(shí)，警報(bào)器會(huì)閃動(dòng)并發(fā)出警報(bào)。此時(shí)向儲(chǔ)水池內(nèi)加入冰盒，水溫會(huì)迅速降低，達(dá)到設(shè)定要求，警報(bào)器不再閃動(dòng)和報(bào)警，保證冷凝效果。也可以提前在儲(chǔ)水池內(nèi)加入幾個(gè)密封冰盒，儲(chǔ)水池的水溫會(huì)遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度。

2 節(jié)能效果

實(shí)驗(yàn)用水的消耗量計(jì)算(以遼寧科技大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)“液體飽和蒸汽壓的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例)：

實(shí)驗(yàn)臺(tái)上7臺(tái)儀器的冷凝管串聯(lián)在一起，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3.5 h。

使用水箱前每學(xué)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(chǔ)水池中水4000 mL，冷凝管內(nèi)水300 mL×7，連接的橡膠管內(nèi)水500 mL，冰盒體積500 mL(可重復(fù)使用)。

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

節(jié)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(shí)驗(yàn)進(jìn)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(xué)年62個(gè)班次進(jìn)行該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，未使用水箱時(shí)0.42 m3×62=26.04 m3，使用水箱仍然是0.007 m3，節(jié)水效果：使用前/使用后 = 0.007 m3÷ 26.04 m3= 1/3720，節(jié)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(yōu)點(diǎn)

(1)使實(shí)驗(yàn)用冷凝水得到循環(huán)利用，節(jié)約了大量的自來水資源。

(2)外置冰盒，既能降低循環(huán)水的溫度，又不增加冷凝用水的體積。

(3)對(duì)于密閉性要求較嚴(yán)格裝置上的冷凝管，清洗時(shí)直接在水池內(nèi)加入清洗劑即可。

(4)實(shí)驗(yàn)過程中遇突然停水，也能保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

(5)功率小，節(jié)約電能。

(6)箱體小，方便移動(dòng)，實(shí)用性強(qiáng)。

[1]周建敏，蔡 潔.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[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(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中水冷凝系統(tǒng)的改進(jìn)[J].山東化工,2015,44(2):105-106.

[3]王 蕊，趙 晶，王俊茹，等.化學(xué)實(shí)驗(yàn)冷凝水的循環(huán)再利用[J].天津化工,2002(4):29-30,34.

[4]邱金恒，劉爾康，吳 強(qiáng).物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2010:25-28.

[5]范嘉園，張立華.節(jié)能型實(shí)驗(yàn)用冷卻水循環(huán)水箱：中國，201621297200.9[P].2017-05-02.