基于热对流和微波效应的地铁站雨伞快干装置

王巍

（武汉理工大学 机电工程学院，武汉 430070）

根据国务院印发的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》，当前我国地铁运营网络初具规模，运营里程正处于快速增长期，将绿色发展理念、低碳发展要求贯穿发展全过程，促进建管养运并重、设施服务均衡协同。但是，实际生产生活中，地铁站内存在以下问题：雨天人流量增大，地面潮湿严重并积水；地铁空间封闭，洒扫不便，可能会造成安全隐患[1]；雨伞快干处理效率低；雨伞摆放杂乱，影响美观[2]。因此，设计一种基于热对流和微波效应的雨伞快干装置解决上述问题，具有重大意义。

1 方案设计

1.1 整体设计

快干机主要由烘干模块、运动传输模块和温吹冷凝模块3 个部分组成，如图1 所示。其中：烘干模块用于对所放置的雨伞进行干燥；运动传输模块通过多层传送带与适配的雨伞放置箱对雨伞进行传动；温吹冷凝模块通过温吹对湿裤腿、湿鞋进行干燥，利用冷凝实现水汽收集。该装置长5.5 m，宽3.5 m，高2.5 m，呈“跑道”状，采用轴对称的方式，便于循环工作。整体装置外侧放置防滑垫，配备人性化设计，可放置在地铁扶梯入口处的通道中央，方便行人进行雨伞干燥，减少干燥时间。

图1 地铁雨伞烘干装置

1.2 烘干模块

1.2.1 气流烘干

气流烘干采用热对流干燥，通过热风吹过湿润的伞料表面，使伞面升温，加速水蒸气的蒸发。该装置主要由热源供给系统、热风烘干系统、控制温度系统和二次回风系统组成。热源供给系统中，抽气泵将冷风抽入，由送风机传递，经集成电阻丝加热形成的干燥热风从各层的下进风口吹入。热风烘干系统主要利用上升的热气流干燥伞面，并带走水蒸气。控制温度系统主要通过检测腔体内温度来控制电机和调控电阻，实现腔体内的温度变化。二次回风系统将水气降温后的二次风与新风结合再次利用。

1.2.2 微波烘干

在热对流烘干区的中央布置小型微波装置，通过气流预干燥后的伞群进入微波干燥区，进行快速脱水。微波发生装置位于上方开口的隔离罩内，通过隔离屏蔽防止多余微波损害其他装置。该装置采用低频微波，根据干燥速度和干燥程度可以计算所需要的微波强度，并设置合理距离，防止微波过度干燥对伞体金属部分产生影响。

1.2.3 出口风干

出口风干装置对干燥后的雨伞进行最后的风干和降温工作。风源入口采用垂直于出口方向、外形为圆形筒的结构形式，可以实现较好的吹风冷却效果。

1.3 运动传输模块

1.3.1 循环传输

传送带分为3 层，分别适用于不同身高的人群。直线传送带整体为热对流干燥区，下方连续喷出热空气。直线传送带外侧由开有横向伞柄开口的玻璃围成。环形传送带包括存放区和出口区，其中存放区配置特殊设计的湿伞存放箱，出口区由收集滑道组成，使得干燥后的伞滑至最底层。传送装置如图2 所示。

图2 传送装置

1.3.2 存放箱

存放箱主要由塑料箱体、双层凹凸隔板、伞柄限位槽、通气孔和倾斜转动轴等部分组成，如图3 所示。塑料箱体上下两侧开孔，采用带孔夹层板，上层板中间凸起，中层内凹，两侧开有限位孔，通过滑轨道连接箱体内部。塑料箱运动到出口，磁性板同性相斥将隔板翻起，雨伞滑出后推杆收回，隔板在配重块作用下恢复原状。该设计避免雨伞放置不方便和多伞叠放导致的干燥时间长等问题。

图3 存放箱正反面

1.4 温吹冷凝模块

1.4.1 底部温吹

装置底部配置了热空气喷出烘干口，热空气通过管道和底部的排气风扇烘干行人的裤脚、湿鞋等。

1.4.2 冷凝水回收

冷凝水回收装置主要由顶层环流管、冷凝水存储装置和轴流风机等构成。热空气经过冷水换流管产生热交换，液态水附着管壁滴落至下方的收集装置。

2 可行性分析

常见的烘干方式主要有热风干燥、海绵吸水和离心干燥等[3]，其优缺点对比如表1 所示。本装置采用热对流和低频微波的方法，12 s 左右完成雨伞85%的干燥，并且能够起到节能作用，具有一定的应用价值和优越性。

表1 烘干方式对比

2.1 热对流温度计算

由于装置中间采用低频微波干燥，前后热对流温度有所不同。前方的热对流主要用于大范围除湿，后方的热对流则参与水量流失和温度控制，防止微波干燥温度过高，对雨伞产生较大影响[4]。

要计算对流温度，首先需要计算伞面和装置本身的比湿。水汽压E和比湿q的计算公式分别为

式中：E为水汽压，Pa；Td为伞面和装置比湿度线数值。

式中：q为比湿；p为气压，Pa。

其次，需要求饱和比湿qs。将式（1）中的Td利用环境温度T代替，得到饱和水汽压Es，将数值带入式（2）即可得到饱和比湿qs。

最后，求出热空气凝结水蒸气的临界温度。临界温度的计算公式为

式中：θc为临界温度，℃；Tc为上方高度对应的气温，℃；Pc为上方高度对应的气压，Pa；R为干气体比气体常数，Pa；Z为干气体定压比热，通常取R/Z=2/7。

得到临界温度后，由于底部的气压已知，可以利用式（3）反求下方的临界温度。通过数据查找和计算，雨伞进入第一个热对流干燥的温度在120 ℃左右，进入第二个热对流的温度在40 ℃左右，能够实现有效快干。

2.2 热对流干燥时间分析

根据热对流温度计算热对流干燥时间t，公式为

式中：h为热流换热系数，W·m-2·K-1；A为雨伞面接触的热风有效面积，实验取0.15 m2；T1为热对流选定温度，℃；T为雨伞表面温度，℃；M为伞体干重，kg；C为伞体表面水的比热容，J·kg-1·K-1；R为水的汽化潜热，J·kg-1；x为雨伞表面含水率。不同温度下的干燥时间，如表2 所示。

表2 不同温度下的干燥时间

根据表2，80 ℃下的热对流空气将表面含水量为3.5%的雨伞快干80%所需要的时间为7.2 s。

雨伞传送速度计算公式为

式中：Q为对流传热强度，J·m-2·K-1；λ为空气的导热系数，W·m-1·K-1；u为传送速度，m·s-1；L为空气掠过伞面的长度，m；P为特定温度下空气的普朗克常数；v为空气运动黏度，取21.09×10-6m2·s-1；B为热风与内伞面接触有效面积，实验取0.05 m2。在地铁站内，环境温度25 ℃以下的水蒸气饱和压强为4.24 kPa，λ=3.05×10-2W·m-1·K-1，v=0.210 9 m2·s-1，P=0.692。

已知干燥区域的长度为2.5 m，通过计算可知，7.2 s内传送速度为3.6 m·s-1，符合地铁站内人群流动的基本速度。

2.3 微波干燥时间分析

微波干燥时间t1计算公式为

式中：P为功率，W；∆T为表面升高所需温度，℃；m1为伞面水蒸气的总质量，g；Q为液体蒸发潜热或者汽化热，2 309 kJ·kg-1；m2为空气中水蒸气的质量，g。

已知∆T=40 ℃，m1=0.25 g，m2=0.007 5 g，防止微波造成铝铁合金产生电火花的最大频率为1.78 GHz，采用该频率计算得到的t1=3.8 s。为保证安全，可以采用比表面积法测定微波干燥的速度[5]。采用1.44 GHz的微波频率，达到雨伞60%干燥所需时间为4.1 s。微波干燥时间与热风干燥时间共11.3 s，行人行走速度为0.45 m·s-1，近似正常步频。

3 创新点分析

3.1 结构创新

首先，设计了对称式“跑道”状的整体外观结构，利用循环传送的方式实现双向不间断干燥，从而提高雨伞快干的效率，节省快干时间。其次，设计了凹凸湿伞放置箱结构、限位伞柄孔、配重块和翻转机构。通过凹凸型结构增大了雨伞伞面放置的面积；通过限位孔进行合理定位，提高空间利用率；通过配重块和翻转机构实现雨伞的自动取出功能。再次，设计了微波效应的腔体结构，便于控制微波发生频率和持续时间符合安全范围，利用隔层和吸波材料降低微波传播，提高干燥效率。最后，设计了二次回风和冷凝水回收装置，可以将含水汽的热风冷却后再次加热，并回收水汽，减少风机耗电量，并起到一定的节水效果。

3.2 应用创新

将微波效应应用于伞面除水，通过自主设计的微波发生腔体实现潮湿雨伞的快干。将热对流干燥技术和微波干燥技术相结合，实现热对流氛围快干和微波辅助快干的双向功能，减少干燥时间，提高干燥效率。

4 结语

设计一种基于热对流和微波效应的地铁雨伞快干装置，综合考量多方面影响因素，如现有装置的优缺点、地铁站的特殊环境等，将热对流和低频微波相结合，通过对称设计解决了雨伞干燥数量、干燥速度和干燥质量的问题。同时，结合设计的箱体结构解决雨伞放置问题和行人需求，并经过可行性分析完成设计验证，有效防止雨天地铁站内潮湿引发的安全等问题，具有现实意义。