一种简易节水水循环冷却装置的研制

吴燕华，杜凤沛，董燕红，侯玉霞，袁德凯

(中国农业大学 理学院，北京 100193)

一种简易节水水循环冷却装置的研制

吴燕华，杜凤沛，董燕红，侯玉霞，袁德凯

(中国农业大学 理学院，北京 100193)

针对有机化学实验室的水资源浪费问题，研制了一种由贮水桶、微型水泵、冷却水出口、水管接口和连接胶管等部件构成的简易节水水循环冷却装置。该装置以贮水桶为容器，微型水泵提供动力，利用连接胶管将水引入实验装置进行热交换后，再将水从实验装置引流回贮水桶，利用桶内的贮冰盆和环境的热交换对回流水进行冷却后循环利用。该装置具有性能稳定、安全性高、操作简便、成本低廉、节水效果显著等特点。该装置自2015年9月起在中国农业大学理学院实验中心部分实验室使用以来，有效杜绝了实验室跑水等安全隐患，1 a来共节水18 900 m3，节水率达70%～80%，共计节约水费开支6.048万元。此外，该装置可应用于电机水冷等方面。

节水; 水循环冷却装置; 设计

0 引 言

我国人均水资源量只有世界水平的1/4，水资源短缺将是长期困扰我国社会经济发展的瓶颈问题[1-2]。然而高校实验室，尤其化学实验室水资源浪费常常为人们所忽视。水是化学实验中的常用溶剂，也是实验装置的冷却媒介，以及用于大量仪器的清洗，耗水量巨大。在有机化学实验室中常见有机溶剂的回流、常压蒸馏、分馏、浓缩等过程水通常用于冷却易挥发的有机溶剂蒸汽，实现回流冷凝过程。如果实现水循环利用，能够节约大量的水资源。目前，化学实验室多采用冷却水直排方式进行操作，忽视了此部分水的循环利用价值，造成了水资源浪费现象。为了改善化学实验室水资源浪费严重问题，本文设计出结构简单、安全实用、成本低廉、适用性强的节水水循环冷却装置，将提高高校实验室水资源利用率，具有重要的应用和推广价值。

1 装置的设计

1.1装置的整体结构及工作原理

水循环冷却装置由贮水桶1、微型水泵12、内置冷却盆6、冷却水出口4、回水管接口2、连接胶管8、固定拉扣5等部件组成(见图1)。其工作原理为：通过水泵将贮水桶中的冷却水输入回流管、冷凝盘管等冷却装置，由上述装置出水口连接回水口，将水从冷凝装置导入贮水桶回收，通过碎冰等冷却后循环使用，构成一个水冷却循环系统。

图1 节水水循环冷却装置的整体结构及外观示意图

水泵以吸盘固定于桶底部，其出水口与循环水出水口弯管间以胶管连接；将下端连接胶管的循环水回水管、出水口弯管和水泵电源线固定于水桶边缘。每个贮水桶内可根据要求搭建2或3套循环装置。贮水桶内置贮冰盆，用于循环水冷却。在桶中加入约10 L自来水，以水面没过水泵150 mm左右为宜，贮冰盆中放入碎冰。将装置出水口连接冷凝器、冷却盘管的入水口，入水连接需冷却装置的出水口，连接水泵电源，该循环冷却装置开始工作。

贮水桶1为容积20 L带盖塑料桶，为冷却水、微型水泵12、管路2、4、8、冷却盆6的容器，另具有保护水泵及管路的作用；水泵为循环冷却动力装置，由泵体12、吸盘13、电源线3、插头11等组成；连接胶管用于连接水泵出水口10和冷却水出口弯管；出水口为90°弯管，入水口为直管；贮冰盆6为冷却装置，通过添加碎冰达到降温的目的，材质为塑料或金属[3-8]，如图2、3所示。

图2 节水水循环冷却装置的主要零部件示意图

图3 节水水循环冷却装置的主要零部件实物图

1.2装置主要零部件参数

循环泵(电压220 V，功率15 W，扬程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，长150 mm)，直角玻璃管(φ(8×1) mm，边长100 mm)，胶管(1.φ(8×1) mm，长150 mm；2.φ(8×1) mm，长100 mm)，尼龙扎带(100 mm)，PVC盖水桶(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装置的组装

(1) 管路设计及连接。将水泵主出水口封闭，水泵副出水口与装置出水口通过长150 mm的φ(9×1.5) mm橡胶管连接，扎带固定，作为循环水出水口；将末端连接100 mm胶管入水口玻璃管扎带固定于出水口玻璃管上，作为循环水回水口。

(2) 节水水循环冷却装置固定。将水泵吸盘固定于储水桶底部边缘位置，水泵固定在吸盘座上，副出水口向上。将出水口和回水口玻璃管固定于储水桶上沿处，分别以不同颜色标签或文字标明水流走向。

(3) 降温装置。将内盛碎冰的储冰盆作为循环水降温装置。

2 装置的使用

(1) 注水。向储水桶中注入约2/3体积(约15 L)的自来水，作为冷却水。

(2) 连接外部装置。以2根φ(9×1.5) mm胶管分别连接装置出水口和冷凝器的入水口，及装置回水管口和冷凝器的出水口。

(3) 使用前检验。将水泵接通电源，观察水流回路是否通畅,连接是否紧密,有无漏水现象，确认装置工作正常。

(4) 使用。确认装置工作正常后，待实验装置搭建、检验、投料等工作完成后，开启水循环装置，进行体系降温。

(5) 储水桶降温。若需冷却的体系较大或室温高于25 ℃时，应使用碎冰对循环水进行降温。将碎冰置于储冰盆中，浮于储水桶中，保持桶中水温在15 ℃左右。

(6) 换水。当装置中水使用时间超过1个月或滋生微生物时，可将水通过回水口通过虹吸作用吸出，以毛刷和洗涤剂清洗水桶后重新注水。

3 装置的应用

该节水水循环冷却装置经过反复试用与修改，目前已获成功,于2015年9月起开始在中国农业大学理学院化学实验中心大规模使用。1 a来的应用状况表明，该节水循环冷却装置设计具有合理性,具有很好的实用性，操作方便、性能稳定、使用安全，杜绝了实验室跑水等安全隐患。

装置主要优势如下：

(1) 降温效果好。节水循环冷却装置的循环水水温能够保持在15 ℃以下，充分冷却乙酸乙酯、氯仿、丙酮、乙醇、甲醇等常见有机溶剂的回流和常压蒸馏等过程，在实验过程中溶剂无损失和挥发，保证了实验顺利进行和实验室环境安全。

(2) 节水效果好。自从2015年9月在实验室使用情况表明，节水循环冷却装置共节水18 900 m3，节水达到70%～80%。

(3) 安全性和稳定性好。节水循环冷却装置运转1年来，未出现1例使用异常和安全事故。

(4) 装置成本低廉、综合节能效果明显。共装配水泵128个，主要零部件成本1万元；按每个水泵每年使用时间6 000 h计算，每个水泵耗电15 W，电费为72元，共计费用9 000元；节水18 900 m3，节约水费约60 480元，按装置使用年限为5年计算，净节约开支：24.74万元。

(5) 应用范围广。该装置除可用于回流冷凝的化学实验操作外，还能够应用于仪器机械装置的水冷等方面，如电机、高压釜等装置[9-12]。

4 结 语

综上所述，节水循环冷却装置节水优势明显，对改善我国高校水资源浪费严重的现状具有积极的现实意义；与相对于封闭式集中制冷-循环装置相比[13]，该装置无需另外敷设管道和电路、选择特殊冷却介质，加之其体积小、易于组装、使用维护方便、安全性和稳定性高、成本低等特点，使之能在化学实验教学和科学研究中大规模使用[14-15]。

[1] 惠晓梅，李 超.关于我国高校用水浪费及对策分析[J].环境与可持续发展,2015(3):119-121.

[2] 白玉华，张兴华，章小军,等.高校用水现状与节水潜力分析[J].北京工业大学学报,2005(6):629-634.

[3] 滕 鑫，唐颂超，徐世爱,等.高分子成型加工实验教学仪器的改进[J].实验技术与管理,2013,30(4)：51-54.

[4] 李巧真，李 刚，徐天室.水流量标准实验装置变频调速系统设计[J].实验技术与管理,2012,29(4):78-80.

[5] 张志民，蔡振东，于爱华.离心泵调速运行节能效果的试验研究[J].水泵技术,2003(1):33-35.

[6] 李巧真，李 刚，罗 翼.水流量实验装置计算机控制系统[J].实验技术与管理,2006,23(8):72-75.

[7] 虞修竟，蔡国军,付小敏,等.水文地质实验装置的研制及应用[J].实验室研究与探索,2011,30(3):209-212.

[8] 马跃进，魏爱俭，杨修伦.实验仪器的自主创新改造及应用[J].实验技术与管理,2010,27(6):54-56.

[9] 楼建明，傅越千,安 鹏,等.基于能力培养自制实验仪器设备[J].实验技术与管理,2014,31(9):81-84.

[10] 陈发堂，熊惠萍，陈东生.加强自制仪器的研发 实现创新能力的培养[J].实验室研究与探索,2009,28(2)：41-43.

[11] 陈要红.高职院校节能技术的改造与探索[J].常州信息职业技术学院学报,2013,12(2):29-31.

[12] 梁培鑫，柴 凤，李翠萍，等.水冷电机水路设计的研究[J].微电机，2013,46(5)：1-5.

[13] 丁宏远.一种化学实验室用封闭式循环节水装置[J].天津商学院学报,2003，23(3):17-19.

[14] 蔡毅飞.化学实验室水平衡测试与节水对策[J].资源节约与环保,2014(10): 51-51.

[15] 秦 序.浅析绿色化学实验室设计[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),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

国家自然科学基金项目(21022094)；北京市教学研究项目(2015-ms045)；北京市化学实验教学示范中心资助

吴燕华(1966-)，女，北京人，实验师，主要从事有机化学、农药学的实验教学工作。

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

袁德凯(1976-)，男，河北任丘人，博士，副教授，主要从事有机化学、农药学的教学与研究工作。

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

O6-33

：A

：1006-7167(2017)07-0043-03