节能型实验用冷却水循环水箱的设计

范嘉园，张立华，金远航，尹小瑞，霍春红

(辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051)

高校化学实验室进行的许多实验通常要用到大量的冷凝水[1-4]。目前，冷凝水多是利用自来水直接冷凝，水只能一次性的使用，使用后冷却水则直接排放至下水道。

在一堂基础物理化学实验之一的“液体饱和蒸汽压测定”[4]实验中，每套仪器都要用到冷凝水，实验时间长约4 h，实验班级较多，浪费了大量的水资源。在实验的过程中有时会遇到突然的停水，实验将无法继续进行。

我国的淡水资源十分缺乏，高校的实验用冷却水造成的浪费现象十分严重，研制一种节水装置，耗能少又能使冷凝用水得以循环使用，还可以解决在实验过程中的突然停水问题十分必要。

调研结果表明，目前市场上没有符合上述要求的专门的装置出售，因此这项工作实际意义极大。

1 水箱的设计

结合现有的实验室条件，设计了一种小型的化学实验用冷凝水循环装置[5]。将每个实验台仪器配置的冷凝管用乳胶管串联，采用循环泵代替以往的直流方法将冷凝水循环使用，在储水池中加入冰盒(冰盒可以更换重复使用)，可以降低水的温度；即使实验过程中突然停水，储水池里的水也可以完成后面的实验。

1.1 主要元件

外箱(390 mm×290 mm×250 mm)，智能控温仪(TN99)、报警器、热电偶、循环泵(Typ SP2766，35W)、储水箱(260 mm×190 mm×160 mm)，冰盒(可用矿泉水瓶代替)，铜阀门、管接头、开关、电线、螺丝、热缩管。

1.2 水箱结构示意图

1水箱本体、2出水管、3回水管、4冷凝管、5外箱、6箱盖、7内水箱(储水池)、8循环泵、9冰盒、10温控器、11温控器开关、 12声光报警器、13电源开关、14容量刻度图1 冷却水循环水箱结构图

节能型冷凝水循环水箱结构示意图如图1所示。

1.3 工作原理

利用冷凝水循环水箱，可以将实验台上的各冷凝管用乳胶管串联，使冷却水由储水池经循环泵带动流进第一个冷凝管，依次进入第二、第三个……冷凝管，再从最后一个冷凝管流回到储水池。实验过程中，冷凝水经过几个冷凝管后，水温会有所上升，当水温超过设定温度时，警报器会闪动并发出警报。此时向储水池内加入冰盒，水温会迅速降低，达到设定要求，警报器不再闪动和报警，保证冷凝效果。也可以提前在储水池内加入几个密封冰盒，储水池的水温会远低于设定温度。

2 节能效果

实验用水的消耗量计算(以辽宁科技大学物理化学实验“液体饱和蒸汽压的测定”实验为例)：

实验台上7台仪器的冷凝管串联在一起，每组实验进行3.5 h。

使用水箱前每学年耗水量：自来水流速2000 mL/min=120 L/h，

耗水量：120 L/h×3.5 h =420L = 0.42 m3

使用水箱后：

储水池中水4000 mL，冷凝管内水300 mL×7，连接的橡胶管内水500 mL，冰盒体积500 mL(可重复使用)。

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

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

水箱耗电量：水泵的功率15W，实验进行3.5 h的操作，耗电15 W×3.5 h=52.5W·h=0.053度，能源消耗很少。

每学年62个班次进行该项实验，未使用水箱时0.42 m3×62=26.04 m3，使用水箱仍然是0.007 m3，节水效果：使用前/使用后 = 0.007 m3÷ 26.04 m3= 1/3720，节约了大量的自来水资源。耗电15 W×3.5 h× 62=3255 W·h=3.3度。

3 水箱的优点

(1)使实验用冷凝水得到循环利用，节约了大量的自来水资源。

(2)外置冰盒，既能降低循环水的温度，又不增加冷凝用水的体积。

(3)对于密闭性要求较严格装置上的冷凝管，清洗时直接在水池内加入清洗剂即可。

(4)实验过程中遇突然停水，也能保证实验的顺利进行。

(5)功率小，节约电能。

(6)箱体小，方便移动，实用性强。

[1]周建敏，蔡 洁.物理化学实验[M]. 北京:中国石化出版社,2012:47-50.

[2]吕仁刚，胡耀云，朱珮珣，等.有机化学实验中水冷凝系统的改进[J].山东化工,2015,44(2):105-106.

[3]王 蕊，赵 晶，王俊茹，等.化学实验冷凝水的循环再利用[J].天津化工,2002(4):29-30,34.

[4]邱金恒，刘尔康，吴 强.物理化学实验[M].北京:高等教育出版社,2010:25-28.

[5]范嘉园，张立华.节能型实验用冷却水循环水箱：中国，201621297200.9[P].2017-05-02.