基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)通風(fēng)櫥的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

杜俊平，封珊珊，魏少龍，趙 宇，秦含露，李 慶，史崠瑛

（鄭州輕工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

通風(fēng)櫥是一種能將毒害氣體排出，保護(hù)實(shí)驗(yàn)者人身安全的設(shè)備，是化學(xué)相關(guān)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室必備的設(shè)備之一[1-5]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)用通風(fēng)櫥一般選用雙開(kāi)落地式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），每組通風(fēng)櫥由2個(gè)雙開(kāi)式通風(fēng)櫥組合而成，能滿足4組學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該類(lèi)通風(fēng)櫥具有對(duì)開(kāi)的透明視窗，指導(dǎo)教師可通過(guò)透明視窗同時(shí)觀察所有實(shí)驗(yàn)人員的操作情況，管理和監(jiān)控全場(chǎng)，保證實(shí)驗(yàn)人員的安全。為了降低安全風(fēng)險(xiǎn)，不必要的設(shè)備與藥品等一般統(tǒng)一存放在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，使用前由專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)員統(tǒng)一分發(fā)。然而，該通風(fēng)櫥結(jié)構(gòu)及管理方法仍存在如下問(wèn)題：①通風(fēng)櫥底柜閑置；②通風(fēng)櫥框體的存在和操作臺(tái)面的寬度與實(shí)驗(yàn)員臂展的長(zhǎng)度不完全契合，操作臺(tái)面上紅色區(qū)域閑置或部分閑置；③由于通風(fēng)櫥內(nèi)冷卻水系統(tǒng)的排布不當(dāng)引起使用安全問(wèn)題，尤其是冷卻水問(wèn)題，通常是引起實(shí)驗(yàn)室重大安全事故的誘因。

圖1 雙開(kāi)落地式通風(fēng)櫥

冷卻水系統(tǒng)[6-7]是通風(fēng)櫥的關(guān)鍵配備之一?，F(xiàn)有技術(shù)一般在紅色區(qū)域1內(nèi)安裝水龍頭，采用自來(lái)水作為冷卻水。盡管該操作省去了流體輸送設(shè)備的費(fèi)用和部分操作費(fèi)用，但是自來(lái)水水壓不穩(wěn)，水壓較低時(shí)，冷卻效果不佳，增大了反應(yīng)體系爆裂的風(fēng)險(xiǎn)；水壓過(guò)高，管道接口容易被沖開(kāi)，造成實(shí)驗(yàn)室水災(zāi)的發(fā)生；另外，載熱后依舊清潔的自來(lái)水作為廢水直接排到下水道中，造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)增加了廢水排放量。

為了解決冷卻水問(wèn)題，工業(yè)上常采用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)[8-9]，該系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能減排效果。然而，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)可觀察性、可動(dòng)手性、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、耐操作性和性價(jià)比等的要求，該系統(tǒng)并不能直接用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。張安平等[10]設(shè)計(jì)了一種用于實(shí)驗(yàn)室的預(yù)警式冷卻水循環(huán)裝置，可以解決無(wú)人看守情況下長(zhǎng)時(shí)持續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，突發(fā)狀況導(dǎo)致水資源浪費(fèi)和意外事故的問(wèn)題。張孝然等[11]發(fā)明了一種實(shí)驗(yàn)室冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)運(yùn)行成本高的問(wèn)題。唐紫超等[12]發(fā)明了一種內(nèi)部獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng)，有效地節(jié)約了水資源。這些研究表明冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能減排效果毋容置疑，但針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，通風(fēng)櫥內(nèi)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還鮮有報(bào)道。

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)用通風(fēng)櫥特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)室管理方法，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，并研究了設(shè)備選型、安裝排布、實(shí)施操作與性能，同時(shí)進(jìn)行了使用風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估。該設(shè)備對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)用實(shí)驗(yàn)室安全和節(jié)能減排具有重要的意義和價(jià)值。

1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括儲(chǔ)水系統(tǒng)、流體輸送系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)3部分（見(jiàn)圖2）。

圖2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

儲(chǔ)水系統(tǒng)包括儲(chǔ)水槽和液位計(jì)。儲(chǔ)水槽①可選用圓形、正方形或長(zhǎng)方形等，不銹鋼或塑料材質(zhì)。儲(chǔ)水槽與增壓泵②的進(jìn)水管路密封相連。液位計(jì)⑦可選用透明玻璃或透明硬質(zhì)塑料管材，下端連接于儲(chǔ)水槽最低允許水位處，上端連接于最高允許水位處。流體輸送系統(tǒng)包括輸送設(shè)備和管路。流體輸送設(shè)備選用增壓泵②。增壓泵的進(jìn)出水管路均可采用塑料管、不銹鋼管等材質(zhì)；增壓泵出水管路即進(jìn)水管路⑤與冷卻系統(tǒng)密封相連。流體輸送管路包括增壓泵的進(jìn)水管路、進(jìn)水管路⑤和回水管路⑥均為圓形管路系統(tǒng)，可采用不銹鋼、乳膠、橡膠材質(zhì)或3者的組合。冷卻系統(tǒng)包括換熱器和控制閥。換熱器③可為回流冷凝管、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上的換熱器等。換熱器的冷卻水進(jìn)水管路上連接控制閥④，用以控制換熱器。

1.2 設(shè)備與材料

玻璃管、塑料管、不銹鋼管、密封墊片、閥門(mén)、水箱接頭、四通接頭、喉箍、密封膠帶、溫度計(jì)、溫度傳感器、量筒、冷卻設(shè)備、增壓泵（型號(hào)：RGB15/10，重慶恒格爾泰機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)）等由河南省豐唐商貿(mào)有限公司提供。儲(chǔ)水槽由河南領(lǐng)創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司加工。

2 設(shè)備選型、安裝與排布

由于該系統(tǒng)的設(shè)備型號(hào)與組合連接方式均具有多樣性和靈活性，并且與教學(xué)用通風(fēng)櫥結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，本文將以我院基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和排布為例描述，確保系統(tǒng)的可操作性與準(zhǔn)確性。

2.1 設(shè)備選型

我院教學(xué)用通風(fēng)櫥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。根據(jù)通風(fēng)櫥底柜的尺寸，選用尺寸為600 mm×350 mm×380 mm的不銹鋼儲(chǔ)水槽。流體輸送設(shè)備選用增壓泵（RGB15/10）。這是由于增壓泵價(jià)格低廉，能有效降低設(shè)備費(fèi)用；另外，增壓泵體積小，可與儲(chǔ)水槽同時(shí)放置于通風(fēng)櫥底柜內(nèi)，在提高通風(fēng)櫥有效利用率的同時(shí)，降低了設(shè)備的室內(nèi)空間占用率，提高了使用安全性；同時(shí)，增壓泵的電源線可用電器連接到底柜側(cè)面的電源插座上，避免系統(tǒng)漏水對(duì)用電系統(tǒng)的影響；還可通過(guò)改變?cè)鰤罕贸鏊軆?nèi)的壓力啟動(dòng)或關(guān)閉增壓泵，降低學(xué)生對(duì)電源的接觸率，提高使用安全性。增壓泵的進(jìn)水管路、進(jìn)水管路⑤采用塑料管，連接控制閥門(mén)的部分采用不銹鋼管，控制閥門(mén)與換熱器之間的管路采用橡膠管或乳膠管。塑料管價(jià)格低廉且柔軟，便于按要求排布；不銹鋼管剛性強(qiáng)，便于支撐；控制閥門(mén)可根據(jù)價(jià)格和耐用性進(jìn)行考量。換熱器以球形冷凝管為例。回水系統(tǒng)⑥選用橡膠或乳膠管，柔軟，便于排布。

2.2 安裝與排布

系統(tǒng)的安裝排布見(jiàn)圖 3。儲(chǔ)水槽和增壓泵安裝在通風(fēng)櫥底柜內(nèi)，靠近通風(fēng)櫥框體。增壓泵出水管路沿通風(fēng)櫥框體上行，在通風(fēng)櫥紅色區(qū)域2內(nèi)排布控制閥，控制閥出水口連接橡膠管路，橡膠管路連接冷凝管冷卻水入口，冷卻水出口連接回水管路，回水管路穿過(guò)通風(fēng)櫥紅色區(qū)域1內(nèi)的開(kāi)孔沿操作臺(tái)面的下底面回到儲(chǔ)水槽，形成循環(huán)。

圖3 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的排布圖

儲(chǔ)水槽與增壓泵的排布見(jiàn)圖 4。儲(chǔ)水槽底部正對(duì)柜門(mén)的側(cè)面用手電鉆打孔，通過(guò)水箱接頭固定并密封連接增壓泵進(jìn)水端。增壓泵出水端與進(jìn)水管路密封相連。增壓泵電器連接底柜側(cè)面的插座。儲(chǔ)水槽安裝液位計(jì)，液位計(jì)的下端應(yīng)稍高于增壓泵進(jìn)水端，保證增壓泵的安全運(yùn)行。

圖4 儲(chǔ)水槽與增壓泵的排布圖

冷卻系統(tǒng)的排布見(jiàn)圖 5。其進(jìn)水端與增壓泵出水端密封相連，另一端隨通風(fēng)櫥框體向上，穿過(guò)操作臺(tái)面上的鉆孔，到達(dá)操作臺(tái)面。操作臺(tái)面上的進(jìn)水管路包括進(jìn)水管路 1、2、3。進(jìn)水管路 1采用塑料材質(zhì)，與進(jìn)水管路2密封鏈接。進(jìn)水管路2采用不銹鋼材質(zhì)，通過(guò)三通和四通閥門(mén)連接4個(gè)控制閥門(mén)。冷卻系統(tǒng)排布于通風(fēng)櫥紅色區(qū)域2內(nèi)，有效地提高了通風(fēng)櫥操作臺(tái)面的利用率，同時(shí)，管道的整齊排布提高了操作安全性。4個(gè)控制閥門(mén)分別與4個(gè)進(jìn)水管路3的進(jìn)口端密封相連，4個(gè)進(jìn)水管路 3的出水端分別密封連接 4個(gè)換熱器的冷卻水進(jìn)口端。換熱器冷卻水出口端連接回水管路，回水管路通過(guò)紅色區(qū)域1內(nèi)的鉆孔，沿操作臺(tái)面的下平面排布，回流至儲(chǔ)水槽內(nèi)。需要明確的是，回水管路的出水端需固定于儲(chǔ)水槽內(nèi)壁上并深入到儲(chǔ)水槽底部，避免其沖出儲(chǔ)水槽，引發(fā)水患。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的所有管道接口均采用喉箍固定，避免接口處沖開(kāi)造成水患。

圖5 冷卻系統(tǒng)的排布圖

3 實(shí)施操作與性能

3.1 實(shí)施操作

使用前檢查儲(chǔ)水槽內(nèi)的水位和水質(zhì)。若無(wú)水或水位過(guò)低，可通過(guò)自來(lái)水水龍頭經(jīng)橡膠管往儲(chǔ)水槽注水；若水質(zhì)較差，可打開(kāi)增壓泵，經(jīng)控制閥和進(jìn)水管路 3將污水排入下水道后再注水。使用時(shí)按圖3連接冷凝管，接口處喉箍固定。輕觸進(jìn)水管路1，開(kāi)啟增壓泵。使用完畢，再次輕觸進(jìn)水管路1，增壓泵停止工作。

3.2 操作性能

儲(chǔ)水槽內(nèi)水溫是影響設(shè)備冷卻效果的重要因素。為了考察設(shè)備的操作性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：往儲(chǔ)水槽加入2/3水位的水，水的密度按照常溫計(jì)算，取1 000 kg/m3，儲(chǔ)水量為：0.6×0.35×0.38×2÷3×1 000=53.2 kg；室溫22 ℃下，于130 ℃油浴溫度下回流正丁醇，對(duì)正丁醇蒸汽冷凝，測(cè)定儲(chǔ)水槽內(nèi)的水溫隨冷卻循環(huán)時(shí)間的變化，結(jié)果如圖6所示。隨著冷卻循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng)，儲(chǔ)水槽內(nèi)的水溫逐漸升高，這是由于冷卻水經(jīng)過(guò)冷凝管時(shí)帶走了熱量并回流至儲(chǔ)水槽所致。觀察冷凝管內(nèi)蒸汽上升的高度，若高度過(guò)高，說(shuō)明冷卻效果不好，可通過(guò)向儲(chǔ)水槽內(nèi)加入冰塊降低水溫，提高冷卻效果。前90 min內(nèi)，水溫上升沒(méi)有明顯的規(guī)律，之后，水溫隨冷卻循環(huán)時(shí)間的增加成直線關(guān)系，總冷卻循環(huán)時(shí)間225 min內(nèi)，水溫共升高7.1 ℃，說(shuō)明針對(duì)有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間（225 min內(nèi)），在不加冷卻裝置或冷卻劑的前提下，該系統(tǒng)能較好地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。并且，學(xué)生親自觀察回流情況判斷冷卻效果，決定是否添加冷卻劑，能更好地提高學(xué)生的參與度與學(xué)習(xí)積極性，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

圖6 儲(chǔ)水槽水溫變化圖

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

教學(xué)用實(shí)驗(yàn)室人員密集，水電問(wèn)題需要引起高度重視。本文對(duì)該系統(tǒng)使用過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估?？赡艽嬖诘陌踩L(fēng)險(xiǎn)主要有用電風(fēng)險(xiǎn)和漏水風(fēng)險(xiǎn)兩種。

4.1 用電風(fēng)險(xiǎn)

該裝置的用電風(fēng)險(xiǎn)為增壓泵。增壓泵安裝在通風(fēng)櫥底柜內(nèi)，電源連接到底柜左側(cè)柜體一定高度處的插座上，并安裝防水插座，有效地避免儲(chǔ)水槽漏水或回水濺起的水滴對(duì)電源接口處的影響。輸送設(shè)備位于通風(fēng)櫥底柜內(nèi)，關(guān)閉柜門(mén)，對(duì)學(xué)生活動(dòng)空間沒(méi)有影響，說(shuō)明該裝置的結(jié)構(gòu)、安裝與排布能從根源上降低用電風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 漏水風(fēng)險(xiǎn)

該裝置存在漏水隱患的情況為：儲(chǔ)水槽漏水、輸送系統(tǒng)漏水、回水管出水端漏水、儲(chǔ)水槽水內(nèi)水花濺出造成的漏水。該裝置儲(chǔ)水槽采用一體成型式塑料水箱或不銹鋼水箱，采取教師定期檢查，實(shí)驗(yàn)前學(xué)生檢查等手段，較好地避免了儲(chǔ)水槽漏水。各輸水管道連接口處采用喉箍固定，并定期檢查，隨時(shí)更換老化的管路，避免水管接口處沖開(kāi)引起漏水，降低輸送系統(tǒng)的漏水風(fēng)險(xiǎn)。回水管出水端固定在儲(chǔ)水槽底部，避免了其從儲(chǔ)水槽內(nèi)飛出；同時(shí)，使出水從下往上流動(dòng)，避免了水面上水花飛濺。儲(chǔ)水槽上端加蓋，進(jìn)一步避免水花飛出，有效地降低漏水風(fēng)險(xiǎn)。由上可知，該裝置已從管路排布和安裝的根源上降低了漏水風(fēng)險(xiǎn)。

5 經(jīng)濟(jì)評(píng)估

該裝置的經(jīng)濟(jì)評(píng)估包括設(shè)備費(fèi)用評(píng)估、操作費(fèi)用評(píng)估、對(duì)比分析3個(gè)部分。

5.1 設(shè)備費(fèi)用評(píng)估

該裝置的設(shè)備和費(fèi)用如表1所示。

另外需預(yù)留設(shè)備耗材更換費(fèi)用500元，設(shè)備總費(fèi)用共計(jì)1125元。設(shè)計(jì)使用年限按15年算，若按照每年10個(gè)月，每月使用時(shí)長(zhǎng)100 h計(jì)算，則設(shè)備損耗費(fèi)為：1125÷100÷10=1.125元/h。

表1 裝置設(shè)備和費(fèi)用明細(xì)

5.2 操作費(fèi)用評(píng)估

增壓泵的輸入功率為100 W，電費(fèi)按照0.6元/(kW·h)計(jì)算，則每小時(shí)電費(fèi)為100W÷1 000×0.6=0.06元；每年換10次水，每次儲(chǔ)水槽水量為53.2 kg，則每年用水量為532 kg，水費(fèi)按照4元/噸計(jì)算，則水費(fèi)為532÷1 000÷1 000×4=0.002元/h；更換下的水可用來(lái)清洗試驗(yàn)過(guò)程中用到的玻璃器皿，所以實(shí)際每小時(shí)操作費(fèi)用小于0.06元/h+0.002元/h=0.062元/h，按照0.062元/h計(jì)算。

5.3 對(duì)比分析

由上述設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用評(píng)估可知，設(shè)備運(yùn)行所需費(fèi)用為：0.062元/h+1.125元/h=1.187元/h。年用水量為532 kg。若不使用該冷卻水循環(huán)裝置，運(yùn)用量筒和秒表，記錄一定時(shí)間內(nèi)水龍頭出水量，實(shí)際測(cè)定正常情況下單個(gè)水龍頭的流量（見(jiàn)表2）。由表2可計(jì)算出單個(gè)水龍頭流量的平均值大小為 213 kg/h，根據(jù)平均值計(jì)算出 4組同學(xué)同時(shí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)用水量為 213×4=852 kg/h，年用水量為 852×100×10=8.52×105kg。由此可知，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的安裝，每年可節(jié)水 8.51×105kg，節(jié)水減排效果顯著。自來(lái)水每小時(shí)水費(fèi)為：852÷1 000×4=3.408元，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)可有效節(jié)省水費(fèi)3.408–1.187=2.221元/h，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

表2 實(shí)驗(yàn)室單個(gè)水龍頭水流量

6 結(jié)論

本文完成了一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)用通風(fēng)櫥內(nèi)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、安裝與排布。研究了該系統(tǒng)的操作實(shí)施與性能，對(duì)其使用風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：通過(guò)合理的安裝排布，該系統(tǒng)能有效地利用通風(fēng)櫥內(nèi)的閑置區(qū)，降低了冷卻水使用過(guò)程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)；經(jīng)濟(jì)評(píng)估結(jié)果顯示該設(shè)備造價(jià)低、靈活性高，節(jié)省水費(fèi)2.221元/h每年一組通風(fēng)櫥能節(jié)水減排 8.51×105kg。實(shí)施操作過(guò)程中需要學(xué)生隨時(shí)觀察決斷，提高了學(xué)生的參與度與學(xué)習(xí)積極性。該冷卻水循環(huán)系統(tǒng)既可在新實(shí)驗(yàn)室安裝，也適用于舊實(shí)驗(yàn)室改造。