基于熱對流和微波效應的地鐵站雨傘快干裝置

王巍

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070）

根據(jù)國務院印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，當前我國地鐵運營網(wǎng)絡初具規(guī)模，運營里程正處于快速增長期，將綠色發(fā)展理念、低碳發(fā)展要求貫穿發(fā)展全過程，促進建管養(yǎng)運并重、設施服務均衡協(xié)同。但是，實際生產(chǎn)生活中，地鐵站內存在以下問題：雨天人流量增大，地面潮濕嚴重并積水；地鐵空間封閉，灑掃不便，可能會造成安全隱患[1]；雨傘快干處理效率低；雨傘擺放雜亂，影響美觀[2]。因此，設計一種基于熱對流和微波效應的雨傘快干裝置解決上述問題，具有重大意義。

1 方案設計

1.1 整體設計

快干機主要由烘干模塊、運動傳輸模塊和溫吹冷凝模塊3 個部分組成，如圖1 所示。其中：烘干模塊用于對所放置的雨傘進行干燥；運動傳輸模塊通過多層傳送帶與適配的雨傘放置箱對雨傘進行傳動；溫吹冷凝模塊通過溫吹對濕褲腿、濕鞋進行干燥，利用冷凝實現(xiàn)水汽收集。該裝置長5.5 m，寬3.5 m，高2.5 m，呈“跑道”狀，采用軸對稱的方式，便于循環(huán)工作。整體裝置外側放置防滑墊，配備人性化設計，可放置在地鐵扶梯入口處的通道中央，方便行人進行雨傘干燥，減少干燥時間。

圖1 地鐵雨傘烘干裝置

1.2 烘干模塊

1.2.1 氣流烘干

氣流烘干采用熱對流干燥，通過熱風吹過濕潤的傘料表面，使傘面升溫，加速水蒸氣的蒸發(fā)。該裝置主要由熱源供給系統(tǒng)、熱風烘干系統(tǒng)、控制溫度系統(tǒng)和二次回風系統(tǒng)組成。熱源供給系統(tǒng)中，抽氣泵將冷風抽入，由送風機傳遞，經(jīng)集成電阻絲加熱形成的干燥熱風從各層的下進風口吹入。熱風烘干系統(tǒng)主要利用上升的熱氣流干燥傘面，并帶走水蒸氣。控制溫度系統(tǒng)主要通過檢測腔體內溫度來控制電機和調控電阻，實現(xiàn)腔體內的溫度變化。二次回風系統(tǒng)將水氣降溫后的二次風與新風結合再次利用。

1.2.2 微波烘干

在熱對流烘干區(qū)的中央布置小型微波裝置，通過氣流預干燥后的傘群進入微波干燥區(qū)，進行快速脫水。微波發(fā)生裝置位于上方開口的隔離罩內，通過隔離屏蔽防止多余微波損害其他裝置。該裝置采用低頻微波，根據(jù)干燥速度和干燥程度可以計算所需要的微波強度，并設置合理距離，防止微波過度干燥對傘體金屬部分產(chǎn)生影響。

1.2.3 出口風干

出口風干裝置對干燥后的雨傘進行最后的風干和降溫工作。風源入口采用垂直于出口方向、外形為圓形筒的結構形式，可以實現(xiàn)較好的吹風冷卻效果。

1.3 運動傳輸模塊

1.3.1 循環(huán)傳輸

傳送帶分為3 層，分別適用于不同身高的人群。直線傳送帶整體為熱對流干燥區(qū)，下方連續(xù)噴出熱空氣。直線傳送帶外側由開有橫向傘柄開口的玻璃圍成。環(huán)形傳送帶包括存放區(qū)和出口區(qū)，其中存放區(qū)配置特殊設計的濕傘存放箱，出口區(qū)由收集滑道組成，使得干燥后的傘滑至最底層。傳送裝置如圖2 所示。

圖2 傳送裝置

1.3.2 存放箱

存放箱主要由塑料箱體、雙層凹凸隔板、傘柄限位槽、通氣孔和傾斜轉動軸等部分組成，如圖3 所示。塑料箱體上下兩側開孔，采用帶孔夾層板，上層板中間凸起，中層內凹，兩側開有限位孔，通過滑軌道連接箱體內部。塑料箱運動到出口，磁性板同性相斥將隔板翻起，雨傘滑出后推桿收回，隔板在配重塊作用下恢復原狀。該設計避免雨傘放置不方便和多傘疊放導致的干燥時間長等問題。

圖3 存放箱正反面

1.4 溫吹冷凝模塊

1.4.1 底部溫吹

裝置底部配置了熱空氣噴出烘干口，熱空氣通過管道和底部的排氣風扇烘干行人的褲腳、濕鞋等。

1.4.2 冷凝水回收

冷凝水回收裝置主要由頂層環(huán)流管、冷凝水存儲裝置和軸流風機等構成。熱空氣經(jīng)過冷水換流管產(chǎn)生熱交換，液態(tài)水附著管壁滴落至下方的收集裝置。

2 可行性分析

常見的烘干方式主要有熱風干燥、海綿吸水和離心干燥等[3]，其優(yōu)缺點對比如表1 所示。本裝置采用熱對流和低頻微波的方法，12 s 左右完成雨傘85%的干燥，并且能夠起到節(jié)能作用，具有一定的應用價值和優(yōu)越性。

表1 烘干方式對比

2.1 熱對流溫度計算

由于裝置中間采用低頻微波干燥，前后熱對流溫度有所不同。前方的熱對流主要用于大范圍除濕，后方的熱對流則參與水量流失和溫度控制，防止微波干燥溫度過高，對雨傘產(chǎn)生較大影響[4]。

要計算對流溫度，首先需要計算傘面和裝置本身的比濕。水汽壓E和比濕q的計算公式分別為

式中：E為水汽壓，Pa；Td為傘面和裝置比濕度線數(shù)值。

式中：q為比濕；p為氣壓，Pa。

其次，需要求飽和比濕qs。將式（1）中的Td利用環(huán)境溫度T代替，得到飽和水汽壓Es，將數(shù)值帶入式（2）即可得到飽和比濕qs。

最后，求出熱空氣凝結水蒸氣的臨界溫度。臨界溫度的計算公式為

式中：θc為臨界溫度，℃；Tc為上方高度對應的氣溫，℃；Pc為上方高度對應的氣壓，Pa；R為干氣體比氣體常數(shù)，Pa；Z為干氣體定壓比熱，通常取R/Z=2/7。

得到臨界溫度后，由于底部的氣壓已知，可以利用式（3）反求下方的臨界溫度。通過數(shù)據(jù)查找和計算，雨傘進入第一個熱對流干燥的溫度在120 ℃左右，進入第二個熱對流的溫度在40 ℃左右，能夠實現(xiàn)有效快干。

2.2 熱對流干燥時間分析

根據(jù)熱對流溫度計算熱對流干燥時間t，公式為

式中：h為熱流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；A為雨傘面接觸的熱風有效面積，實驗取0.15 m2；T1為熱對流選定溫度，℃；T為雨傘表面溫度，℃；M為傘體干重，kg；C為傘體表面水的比熱容，J·kg-1·K-1；R為水的汽化潛熱，J·kg-1；x為雨傘表面含水率。不同溫度下的干燥時間，如表2 所示。

表2 不同溫度下的干燥時間

根據(jù)表2，80 ℃下的熱對流空氣將表面含水量為3.5%的雨傘快干80%所需要的時間為7.2 s。

雨傘傳送速度計算公式為

式中：Q為對流傳熱強度，J·m-2·K-1；λ為空氣的導熱系數(shù)，W·m-1·K-1；u為傳送速度，m·s-1；L為空氣掠過傘面的長度，m；P為特定溫度下空氣的普朗克常數(shù)；v為空氣運動黏度，取21.09×10-6m2·s-1；B為熱風與內傘面接觸有效面積，實驗取0.05 m2。在地鐵站內，環(huán)境溫度25 ℃以下的水蒸氣飽和壓強為4.24 kPa，λ=3.05×10-2W·m-1·K-1，v=0.210 9 m2·s-1，P=0.692。

已知干燥區(qū)域的長度為2.5 m，通過計算可知，7.2 s內傳送速度為3.6 m·s-1，符合地鐵站內人群流動的基本速度。

2.3 微波干燥時間分析

微波干燥時間t1計算公式為

式中：P為功率，W；?T為表面升高所需溫度，℃；m1為傘面水蒸氣的總質量，g；Q為液體蒸發(fā)潛熱或者汽化熱，2 309 kJ·kg-1；m2為空氣中水蒸氣的質量，g。

已知?T=40 ℃，m1=0.25 g，m2=0.007 5 g，防止微波造成鋁鐵合金產(chǎn)生電火花的最大頻率為1.78 GHz，采用該頻率計算得到的t1=3.8 s。為保證安全，可以采用比表面積法測定微波干燥的速度[5]。采用1.44 GHz的微波頻率，達到雨傘60%干燥所需時間為4.1 s。微波干燥時間與熱風干燥時間共11.3 s，行人行走速度為0.45 m·s-1，近似正常步頻。

3 創(chuàng)新點分析

3.1 結構創(chuàng)新

首先，設計了對稱式“跑道”狀的整體外觀結構，利用循環(huán)傳送的方式實現(xiàn)雙向不間斷干燥，從而提高雨傘快干的效率，節(jié)省快干時間。其次，設計了凹凸?jié)駛惴胖孟浣Y構、限位傘柄孔、配重塊和翻轉機構。通過凹凸型結構增大了雨傘傘面放置的面積；通過限位孔進行合理定位，提高空間利用率；通過配重塊和翻轉機構實現(xiàn)雨傘的自動取出功能。再次，設計了微波效應的腔體結構，便于控制微波發(fā)生頻率和持續(xù)時間符合安全范圍，利用隔層和吸波材料降低微波傳播，提高干燥效率。最后，設計了二次回風和冷凝水回收裝置，可以將含水汽的熱風冷卻后再次加熱，并回收水汽，減少風機耗電量，并起到一定的節(jié)水效果。

3.2 應用創(chuàng)新

將微波效應應用于傘面除水，通過自主設計的微波發(fā)生腔體實現(xiàn)潮濕雨傘的快干。將熱對流干燥技術和微波干燥技術相結合，實現(xiàn)熱對流氛圍快干和微波輔助快干的雙向功能，減少干燥時間，提高干燥效率。

4 結語

設計一種基于熱對流和微波效應的地鐵雨傘快干裝置，綜合考量多方面影響因素，如現(xiàn)有裝置的優(yōu)缺點、地鐵站的特殊環(huán)境等，將熱對流和低頻微波相結合，通過對稱設計解決了雨傘干燥數(shù)量、干燥速度和干燥質量的問題。同時，結合設計的箱體結構解決雨傘放置問題和行人需求，并經(jīng)過可行性分析完成設計驗證，有效防止雨天地鐵站內潮濕引發(fā)的安全等問題，具有現(xiàn)實意義。