基于实验教学通风橱的冷却水循环系统

杜俊平，封珊珊，魏少龙，赵 宇，秦含露，李 庆，史岽瑛

（郑州轻工业大学 材料与化学工程学院，河南 郑州 450002）

通风橱是一种能将毒害气体排出，保护实验者人身安全的设备，是化学相关类实验室必备的设备之一[1-5]。实验教学用通风橱一般选用双开落地式结构（见图1），每组通风橱由2个双开式通风橱组合而成，能满足4组学生同时进行实验。该类通风橱具有对开的透明视窗，指导教师可通过透明视窗同时观察所有实验人员的操作情况，管理和监控全场，保证实验人员的安全。为了降低安全风险，不必要的设备与药品等一般统一存放在仓库内，使用前由专业的实验员统一分发。然而，该通风橱结构及管理方法仍存在如下问题：①通风橱底柜闲置；②通风橱框体的存在和操作台面的宽度与实验员臂展的长度不完全契合，操作台面上红色区域闲置或部分闲置；③由于通风橱内冷却水系统的排布不当引起使用安全问题，尤其是冷却水问题，通常是引起实验室重大安全事故的诱因。

图1 双开落地式通风橱

冷却水系统[6-7]是通风橱的关键配备之一。现有技术一般在红色区域1内安装水龙头，采用自来水作为冷却水。尽管该操作省去了流体输送设备的费用和部分操作费用，但是自来水水压不稳，水压较低时，冷却效果不佳，增大了反应体系爆裂的风险；水压过高，管道接口容易被冲开，造成实验室水灾的发生；另外，载热后依旧清洁的自来水作为废水直接排到下水道中，造成了水资源的严重浪费，同时增加了废水排放量。

为了解决冷却水问题，工业上常采用冷却水循环系统[8-9]，该系统具有显著的节能减排效果。然而，由于实验教学对可观察性、可动手性、实验时间、耐操作性和性价比等的要求，该系统并不能直接用于实验教学。张安平等[10]设计了一种用于实验室的预警式冷却水循环装置，可以解决无人看守情况下长时持续实验时，突发状况导致水资源浪费和意外事故的问题。张孝然等[11]发明了一种实验室冷却水循环系统，解决了系统运行成本高的问题。唐紫超等[12]发明了一种内部独立的水循环系统，有效地节约了水资源。这些研究表明冷却水循环系统的节能减排效果毋容置疑，但针对实验教学特点，通风橱内冷却水循环系统的设计还鲜有报道。

本文结合实验教学用通风橱特点及实验室管理方法，针对实验教学特点，设计了一种冷却水循环系统，并研究了设备选型、安装排布、实施操作与性能，同时进行了使用风险和经济评估。该设备对于提高实验教学用实验室安全和节能减排具有重要的意义和价值。

1 冷却水循环系统

1.1 结构组成

冷却水循环系统包括储水系统、流体输送系统、冷却系统3部分（见图2）。

图2 冷却水循环系统结构示意图

储水系统包括储水槽和液位计。储水槽①可选用圆形、正方形或长方形等，不锈钢或塑料材质。储水槽与增压泵②的进水管路密封相连。液位计⑦可选用透明玻璃或透明硬质塑料管材，下端连接于储水槽最低允许水位处，上端连接于最高允许水位处。流体输送系统包括输送设备和管路。流体输送设备选用增压泵②。增压泵的进出水管路均可采用塑料管、不锈钢管等材质；增压泵出水管路即进水管路⑤与冷却系统密封相连。流体输送管路包括增压泵的进水管路、进水管路⑤和回水管路⑥均为圆形管路系统，可采用不锈钢、乳胶、橡胶材质或3者的组合。冷却系统包括换热器和控制阀。换热器③可为回流冷凝管、旋转蒸发仪上的换热器等。换热器的冷却水进水管路上连接控制阀④，用以控制换热器。

1.2 设备与材料

玻璃管、塑料管、不锈钢管、密封垫片、阀门、水箱接头、四通接头、喉箍、密封胶带、温度计、温度传感器、量筒、冷却设备、增压泵（型号：RGB15/10，重庆恒格尔泰机电设备有限公司生产）等由河南省丰唐商贸有限公司提供。储水槽由河南领创仪器设备有限公司加工。

2 设备选型、安装与排布

由于该系统的设备型号与组合连接方式均具有多样性和灵活性，并且与教学用通风橱结构密切相关，本文将以我院基础有机化学实验室内的冷却水循环系统的设计、安装和排布为例描述，确保系统的可操作性与准确性。

2.1 设备选型

我院教学用通风橱的结构见图 1。根据通风橱底柜的尺寸，选用尺寸为600 mm×350 mm×380 mm的不锈钢储水槽。流体输送设备选用增压泵（RGB15/10）。这是由于增压泵价格低廉，能有效降低设备费用；另外，增压泵体积小，可与储水槽同时放置于通风橱底柜内，在提高通风橱有效利用率的同时，降低了设备的室内空间占用率，提高了使用安全性；同时，增压泵的电源线可用电器连接到底柜侧面的电源插座上，避免系统漏水对用电系统的影响；还可通过改变增压泵出水管内的压力启动或关闭增压泵，降低学生对电源的接触率，提高使用安全性。增压泵的进水管路、进水管路⑤采用塑料管，连接控制阀门的部分采用不锈钢管，控制阀门与换热器之间的管路采用橡胶管或乳胶管。塑料管价格低廉且柔软，便于按要求排布；不锈钢管刚性强，便于支撑；控制阀门可根据价格和耐用性进行考量。换热器以球形冷凝管为例。回水系统⑥选用橡胶或乳胶管，柔软，便于排布。

2.2 安装与排布

系统的安装排布见图 3。储水槽和增压泵安装在通风橱底柜内，靠近通风橱框体。增压泵出水管路沿通风橱框体上行，在通风橱红色区域2内排布控制阀，控制阀出水口连接橡胶管路，橡胶管路连接冷凝管冷却水入口，冷却水出口连接回水管路，回水管路穿过通风橱红色区域1内的开孔沿操作台面的下底面回到储水槽，形成循环。

图3 冷却水循环系统的排布图

储水槽与增压泵的排布见图 4。储水槽底部正对柜门的侧面用手电钻打孔，通过水箱接头固定并密封连接增压泵进水端。增压泵出水端与进水管路密封相连。增压泵电器连接底柜侧面的插座。储水槽安装液位计，液位计的下端应稍高于增压泵进水端，保证增压泵的安全运行。

图4 储水槽与增压泵的排布图

冷却系统的排布见图 5。其进水端与增压泵出水端密封相连，另一端随通风橱框体向上，穿过操作台面上的钻孔，到达操作台面。操作台面上的进水管路包括进水管路 1、2、3。进水管路 1采用塑料材质，与进水管路2密封链接。进水管路2采用不锈钢材质，通过三通和四通阀门连接4个控制阀门。冷却系统排布于通风橱红色区域2内，有效地提高了通风橱操作台面的利用率，同时，管道的整齐排布提高了操作安全性。4个控制阀门分别与4个进水管路3的进口端密封相连，4个进水管路 3的出水端分别密封连接 4个换热器的冷却水进口端。换热器冷却水出口端连接回水管路，回水管路通过红色区域1内的钻孔，沿操作台面的下平面排布，回流至储水槽内。需要明确的是，回水管路的出水端需固定于储水槽内壁上并深入到储水槽底部，避免其冲出储水槽，引发水患。冷却水循环系统的所有管道接口均采用喉箍固定，避免接口处冲开造成水患。

图5 冷却系统的排布图

3 实施操作与性能

3.1 实施操作

使用前检查储水槽内的水位和水质。若无水或水位过低，可通过自来水水龙头经橡胶管往储水槽注水；若水质较差，可打开增压泵，经控制阀和进水管路 3将污水排入下水道后再注水。使用时按图3连接冷凝管，接口处喉箍固定。轻触进水管路1，开启增压泵。使用完毕，再次轻触进水管路1，增压泵停止工作。

3.2 操作性能

储水槽内水温是影响设备冷却效果的重要因素。为了考察设备的操作性能，设计如下实验：往储水槽加入2/3水位的水，水的密度按照常温计算，取1 000 kg/m3，储水量为：0.6×0.35×0.38×2÷3×1 000=53.2 kg；室温22 ℃下，于130 ℃油浴温度下回流正丁醇，对正丁醇蒸汽冷凝，测定储水槽内的水温随冷却循环时间的变化，结果如图6所示。随着冷却循环时间的延长，储水槽内的水温逐渐升高，这是由于冷却水经过冷凝管时带走了热量并回流至储水槽所致。观察冷凝管内蒸汽上升的高度，若高度过高，说明冷却效果不好，可通过向储水槽内加入冰块降低水温，提高冷却效果。前90 min内，水温上升没有明显的规律，之后，水温随冷却循环时间的增加成直线关系，总冷却循环时间225 min内，水温共升高7.1 ℃，说明针对有限的实验教学时间（225 min内），在不加冷却装置或冷却剂的前提下，该系统能较好地满足实验教学的要求。并且，学生亲自观察回流情况判断冷却效果，决定是否添加冷却剂，能更好地提高学生的参与度与学习积极性，有利于提高实验教学效果。

图6 储水槽水温变化图

4 风险评估

教学用实验室人员密集，水电问题需要引起高度重视。本文对该系统使用过程中可能存在的风险进行了评估。可能存在的安全风险主要有用电风险和漏水风险两种。

4.1 用电风险

该装置的用电风险为增压泵。增压泵安装在通风橱底柜内，电源连接到底柜左侧柜体一定高度处的插座上，并安装防水插座，有效地避免储水槽漏水或回水溅起的水滴对电源接口处的影响。输送设备位于通风橱底柜内，关闭柜门，对学生活动空间没有影响，说明该装置的结构、安装与排布能从根源上降低用电风险。

4.2 漏水风险

该装置存在漏水隐患的情况为：储水槽漏水、输送系统漏水、回水管出水端漏水、储水槽水内水花溅出造成的漏水。该装置储水槽采用一体成型式塑料水箱或不锈钢水箱，采取教师定期检查，实验前学生检查等手段，较好地避免了储水槽漏水。各输水管道连接口处采用喉箍固定，并定期检查，随时更换老化的管路，避免水管接口处冲开引起漏水，降低输送系统的漏水风险。回水管出水端固定在储水槽底部，避免了其从储水槽内飞出；同时，使出水从下往上流动，避免了水面上水花飞溅。储水槽上端加盖，进一步避免水花飞出，有效地降低漏水风险。由上可知，该装置已从管路排布和安装的根源上降低了漏水风险。

5 经济评估

该装置的经济评估包括设备费用评估、操作费用评估、对比分析3个部分。

5.1 设备费用评估

该装置的设备和费用如表1所示。

另外需预留设备耗材更换费用500元，设备总费用共计1125元。设计使用年限按15年算，若按照每年10个月，每月使用时长100 h计算，则设备损耗费为：1125÷100÷10=1.125元/h。

表1 装置设备和费用明细

5.2 操作费用评估

增压泵的输入功率为100 W，电费按照0.6元/(kW·h)计算，则每小时电费为100W÷1 000×0.6=0.06元；每年换10次水，每次储水槽水量为53.2 kg，则每年用水量为532 kg，水费按照4元/吨计算，则水费为532÷1 000÷1 000×4=0.002元/h；更换下的水可用来清洗试验过程中用到的玻璃器皿，所以实际每小时操作费用小于0.06元/h+0.002元/h=0.062元/h，按照0.062元/h计算。

5.3 对比分析

由上述设备费用和操作费用评估可知，设备运行所需费用为：0.062元/h+1.125元/h=1.187元/h。年用水量为532 kg。若不使用该冷却水循环装置，运用量筒和秒表，记录一定时间内水龙头出水量，实际测定正常情况下单个水龙头的流量（见表2）。由表2可计算出单个水龙头流量的平均值大小为 213 kg/h，根据平均值计算出 4组同学同时做实验时用水量为 213×4=852 kg/h，年用水量为 852×100×10=8.52×105kg。由此可知，冷却水循环系统的安装，每年可节水 8.51×105kg，节水减排效果显著。自来水每小时水费为：852÷1 000×4=3.408元，冷却水循环系统可有效节省水费3.408–1.187=2.221元/h，经济效果显著。

表2 实验室单个水龙头水流量

6 结论

本文完成了一种实验教学用通风橱内冷却水循环系统的设计、设备选型、安装与排布。研究了该系统的操作实施与性能，对其使用风险和经济价值进行了评估。结果表明：通过合理的安装排布，该系统能有效地利用通风橱内的闲置区，降低了冷却水使用过程中存在的安全风险；经济评估结果显示该设备造价低、灵活性高，节省水费2.221元/h每年一组通风橱能节水减排 8.51×105kg。实施操作过程中需要学生随时观察决断，提高了学生的参与度与学习积极性。该冷却水循环系统既可在新实验室安装，也适用于旧实验室改造。