吳燕華，杜鳳沛，董燕紅，侯玉霞，袁德凱

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，北京 100193)

一種簡易節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置的研制

吳燕華，杜鳳沛，董燕紅，侯玉霞，袁德凱

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，北京 100193)

針對有機化學(xué)實驗室的水資源浪費問題，研制了一種由貯水桶、微型水泵、冷卻水出口、水管接口和連接膠管等部件構(gòu)成的簡易節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置。該裝置以貯水桶為容器，微型水泵提供動力，利用連接膠管將水引入實驗裝置進行熱交換后，再將水從實驗裝置引流回貯水桶，利用桶內(nèi)的貯冰盆和環(huán)境的熱交換對回流水進行冷卻后循環(huán)利用。該裝置具有性能穩(wěn)定、安全性高、操作簡便、成本低廉、節(jié)水效果顯著等特點。該裝置自2015年9月起在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院實驗中心部分實驗室使用以來，有效杜絕了實驗室跑水等安全隱患，1 a來共節(jié)水18 900 m3，節(jié)水率達70%～80%，共計節(jié)約水費開支6.048萬元。此外，該裝置可應(yīng)用于電機水冷等方面。

節(jié)水; 水循環(huán)冷卻裝置; 設(shè)計

0 引 言

我國人均水資源量只有世界水平的1/4，水資源短缺將是長期困擾我國社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸問題[1-2]。然而高校實驗室，尤其化學(xué)實驗室水資源浪費常常為人們所忽視。水是化學(xué)實驗中的常用溶劑，也是實驗裝置的冷卻媒介，以及用于大量儀器的清洗，耗水量巨大。在有機化學(xué)實驗室中常見有機溶劑的回流、常壓蒸餾、分餾、濃縮等過程水通常用于冷卻易揮發(fā)的有機溶劑蒸汽，實現(xiàn)回流冷凝過程。如果實現(xiàn)水循環(huán)利用，能夠節(jié)約大量的水資源。目前，化學(xué)實驗室多采用冷卻水直排方式進行操作，忽視了此部分水的循環(huán)利用價值，造成了水資源浪費現(xiàn)象。為了改善化學(xué)實驗室水資源浪費嚴重問題，本文設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、安全實用、成本低廉、適用性強的節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置，將提高高校實驗室水資源利用率，具有重要的應(yīng)用和推廣價值。

1 裝置的設(shè)計

1.1裝置的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

水循環(huán)冷卻裝置由貯水桶1、微型水泵12、內(nèi)置冷卻盆6、冷卻水出口4、回水管接口2、連接膠管8、固定拉扣5等部件組成(見圖1)。其工作原理為：通過水泵將貯水桶中的冷卻水輸入回流管、冷凝盤管等冷卻裝置，由上述裝置出水口連接回水口，將水從冷凝裝置導(dǎo)入貯水桶回收，通過碎冰等冷卻后循環(huán)使用，構(gòu)成一個水冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置的整體結(jié)構(gòu)及外觀示意圖

水泵以吸盤固定于桶底部，其出水口與循環(huán)水出水口彎管間以膠管連接；將下端連接膠管的循環(huán)水回水管、出水口彎管和水泵電源線固定于水桶邊緣。每個貯水桶內(nèi)可根據(jù)要求搭建2或3套循環(huán)裝置。貯水桶內(nèi)置貯冰盆，用于循環(huán)水冷卻。在桶中加入約10 L自來水，以水面沒過水泵150 mm左右為宜，貯冰盆中放入碎冰。將裝置出水口連接冷凝器、冷卻盤管的入水口，入水連接需冷卻裝置的出水口，連接水泵電源，該循環(huán)冷卻裝置開始工作。

貯水桶1為容積20 L帶蓋塑料桶，為冷卻水、微型水泵12、管路2、4、8、冷卻盆6的容器，另具有保護水泵及管路的作用；水泵為循環(huán)冷卻動力裝置，由泵體12、吸盤13、電源線3、插頭11等組成；連接膠管用于連接水泵出水口10和冷卻水出口彎管；出水口為90°彎管，入水口為直管；貯冰盆6為冷卻裝置，通過添加碎冰達到降溫的目的，材質(zhì)為塑料或金屬[3-8]，如圖2、3所示。

圖2 節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置的主要零部件示意圖

圖3 節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置的主要零部件實物圖

1.2裝置主要零部件參數(shù)

循環(huán)泵(電壓220 V，功率15 W，揚程1.0 m，排量1 kL/h，外形尺寸65 mm×40 mm×75 mm)，直玻璃管(φ(8×1) mm，長150 mm)，直角玻璃管(φ(8×1) mm，邊長100 mm)，膠管(1.φ(8×1) mm，長150 mm；2.φ(8×1) mm，長100 mm)，尼龍扎帶(100 mm)，PVC蓋水桶(上口：φ240 mm，底：φ180 mm，高220 mm)，PVC冰盆(上口φ200 mm，底φ180 mm，高100 mm)。

1.3裝置的組裝

(1) 管路設(shè)計及連接。將水泵主出水口封閉，水泵副出水口與裝置出水口通過長150 mm的φ(9×1.5) mm橡膠管連接，扎帶固定，作為循環(huán)水出水口；將末端連接100 mm膠管入水口玻璃管扎帶固定于出水口玻璃管上，作為循環(huán)水回水口。

(2) 節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置固定。將水泵吸盤固定于儲水桶底部邊緣位置，水泵固定在吸盤座上，副出水口向上。將出水口和回水口玻璃管固定于儲水桶上沿處，分別以不同顏色標簽或文字標明水流走向。

(3) 降溫裝置。將內(nèi)盛碎冰的儲冰盆作為循環(huán)水降溫裝置。

2 裝置的使用

(1) 注水。向儲水桶中注入約2/3體積(約15 L)的自來水，作為冷卻水。

(2) 連接外部裝置。以2根φ(9×1.5) mm膠管分別連接裝置出水口和冷凝器的入水口，及裝置回水管口和冷凝器的出水口。

(3) 使用前檢驗。將水泵接通電源，觀察水流回路是否通暢,連接是否緊密,有無漏水現(xiàn)象，確認裝置工作正常。

(4) 使用。確認裝置工作正常后，待實驗裝置搭建、檢驗、投料等工作完成后，開啟水循環(huán)裝置，進行體系降溫。

(5) 儲水桶降溫。若需冷卻的體系較大或室溫高于25 ℃時，應(yīng)使用碎冰對循環(huán)水進行降溫。將碎冰置于儲冰盆中，浮于儲水桶中，保持桶中水溫在15 ℃左右。

(6) 換水。當(dāng)裝置中水使用時間超過1個月或滋生微生物時，可將水通過回水口通過虹吸作用吸出，以毛刷和洗滌劑清洗水桶后重新注水。

3 裝置的應(yīng)用

該節(jié)水水循環(huán)冷卻裝置經(jīng)過反復(fù)試用與修改，目前已獲成功,于2015年9月起開始在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院化學(xué)實驗中心大規(guī)模使用。1 a來的應(yīng)用狀況表明，該節(jié)水循環(huán)冷卻裝置設(shè)計具有合理性,具有很好的實用性，操作方便、性能穩(wěn)定、使用安全，杜絕了實驗室跑水等安全隱患。

裝置主要優(yōu)勢如下：

(1) 降溫效果好。節(jié)水循環(huán)冷卻裝置的循環(huán)水水溫能夠保持在15 ℃以下，充分冷卻乙酸乙酯、氯仿、丙酮、乙醇、甲醇等常見有機溶劑的回流和常壓蒸餾等過程，在實驗過程中溶劑無損失和揮發(fā)，保證了實驗順利進行和實驗室環(huán)境安全。

(2) 節(jié)水效果好。自從2015年9月在實驗室使用情況表明，節(jié)水循環(huán)冷卻裝置共節(jié)水18 900 m3，節(jié)水達到70%～80%。

(3) 安全性和穩(wěn)定性好。節(jié)水循環(huán)冷卻裝置運轉(zhuǎn)1年來，未出現(xiàn)1例使用異常和安全事故。

(4) 裝置成本低廉、綜合節(jié)能效果明顯。共裝配水泵128個，主要零部件成本1萬元；按每個水泵每年使用時間6 000 h計算，每個水泵耗電15 W，電費為72元，共計費用9 000元；節(jié)水18 900 m3，節(jié)約水費約60 480元，按裝置使用年限為5年計算，凈節(jié)約開支：24.74萬元。

(5) 應(yīng)用范圍廣。該裝置除可用于回流冷凝的化學(xué)實驗操作外，還能夠應(yīng)用于儀器機械裝置的水冷等方面，如電機、高壓釜等裝置[9-12]。

4 結(jié) 語

綜上所述，節(jié)水循環(huán)冷卻裝置節(jié)水優(yōu)勢明顯，對改善我國高校水資源浪費嚴重的現(xiàn)狀具有積極的現(xiàn)實意義；與相對于封閉式集中制冷-循環(huán)裝置相比[13]，該裝置無需另外敷設(shè)管道和電路、選擇特殊冷卻介質(zhì)，加之其體積小、易于組裝、使用維護方便、安全性和穩(wěn)定性高、成本低等特點，使之能在化學(xué)實驗教學(xué)和科學(xué)研究中大規(guī)模使用[14-15]。

[1] 惠曉梅，李 超.關(guān)于我國高校用水浪費及對策分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2015(3):119-121.

[2] 白玉華，張興華，章小軍,等.高校用水現(xiàn)狀與節(jié)水潛力分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005(6):629-634.

[3] 滕 鑫，唐頌超，徐世愛,等.高分子成型加工實驗教學(xué)儀器的改進[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(4)：51-54.

[4] 李巧真，李 剛，徐天室.水流量標準實驗裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(4):78-80.

[5] 張志民，蔡振東，于愛華.離心泵調(diào)速運行節(jié)能效果的試驗研究[J].水泵技術(shù),2003(1):33-35.

[6] 李巧真，李 剛，羅 翼.水流量實驗裝置計算機控制系統(tǒng)[J].實驗技術(shù)與管理,2006,23(8):72-75.

[7] 虞修竟，蔡國軍,付小敏,等.水文地質(zhì)實驗裝置的研制及應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):209-212.

[8] 馬躍進，魏愛儉，楊修倫.實驗儀器的自主創(chuàng)新改造及應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(6):54-56.

[9] 樓建明，傅越千,安 鵬,等.基于能力培養(yǎng)自制實驗儀器設(shè)備[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(9):81-84.

[10] 陳發(fā)堂，熊惠萍，陳東生.加強自制儀器的研發(fā) 實現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索,2009,28(2)：41-43.

[11] 陳要紅.高職院校節(jié)能技術(shù)的改造與探索[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2013,12(2):29-31.

[12] 梁培鑫，柴 鳳，李翠萍，等.水冷電機水路設(shè)計的研究[J].微電機，2013,46(5)：1-5.

[13] 丁宏遠.一種化學(xué)實驗室用封閉式循環(huán)節(jié)水裝置[J].天津商學(xué)院學(xué)報,2003，23(3):17-19.

[14] 蔡毅飛.化學(xué)實驗室水平衡測試與節(jié)水對策[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2014(10): 51-51.

[15] 秦 序.淺析綠色化學(xué)實驗室設(shè)計[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,9(4):90-91.

Design of a Simple Water-saved Circulating Cooling Apparatus

WUYanhua,DUFengpei,DONGYanhong,HOUYuxia,YUANDekai

(College of Science,China Agricultural University,Beijing 100193,China)

In order to reduce the waste of water in chemistry labs and utilize the water efficiently,a simple water-saved circulating cooling apparatus was designed to meet the needs in labs,such as solvent refluxing,rotary evaporating and electromotor cooling.The apparatus was composed of water tank,micro water pump,cooling water outlet,back water inlet and linking tubes.The water tank was the container of the pump and water,and the power for circulating was provided by the pump.The water was led to the experiment apparatus for heat exchanging via the outlet linking tube and flew back into the tank via the inlet tube,and it would be cooled with ice or by environment heat exchanging.It was demonstrated that the apparatus possessed several advantages such as high stability and safety,simple operation,low cost and perfect water-saving performance.Since September 2015,the apparatus was used in the organic chemistry labs of the Chemistry Experimental Teaching Center of Science College of China Agricultural University without any fault and water leakage accident.During 2015 to 2016,There was 18 900 tons of water saved ,and the recycling rate was about 70% to 80%.And so on,60 480 RMB was reduced from the water bill.In addition,the apparatus could also be used for electric machinery cooling.

water-saved; water circulating cooling apparatus; design

2016-09-28

國家自然科學(xué)基金項目(21022094)；北京市教學(xué)研究項目(2015-ms045)；北京市化學(xué)實驗教學(xué)示范中心資助

吳燕華(1966-)，女，北京人，實驗師，主要從事有機化學(xué)、農(nóng)藥學(xué)的實驗教學(xué)工作。

Tel.:13683542966; E-mail: yhwu@cau.edu.cn

袁德凱(1976-)，男，河北任丘人，博士，副教授，主要從事有機化學(xué)、農(nóng)藥學(xué)的教學(xué)與研究工作。

Tel.: 13681013125; E-mail: yuandekai@cau.edu.cn

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：A

：1006-7167(2017)07-0043-03