Теория бань - Юрий Хошев

Анализ возможных последствий появления потоков воздуха в бане наиболее нагляден в форме модельных умозрительных перемещений выделенного объёма воздуха вдоль траектории возможных воздушных потоков. Имея в виду, что точка росы воздуха в изолированном выделенном объёме постоянна (также как и абсолютная влажность воздуха) вне зависимости от факта охлаждения или нагрева воздуха в выделенном объёме, легко предугадать, будет ли воздух в выделенном объёме увлажняться или осушаться при нарушении изоляции, то есть при контакте с элементами бани с той или иной температурой. Если точка росы воздуха ниже температуры элемента бани (пола, полка, потолка, тела человека и т. п.), то происходит испарение воды (если она есть) с поверхности элемента и увлажнение воздуха. И наоборот, если точка росы воздуха выше температуры элемента, то происходит конденсация водяных паров из воздуха и осушение воздуха.

Анализ будет сложнее, если оперировать понятием относительной влажности воздуха, которая изменяется с изменением температуры воздуха в выделенном объёме. В этом случае будут полезны конденсационные кривые, соответствующие постоянным точкам росы (постоянным абсолютным влажностям) воздуха (рис. 37). По известным температуре и относительной влажности воздуха необходимо определить местоположение метеоточки А, и если она располагается ниже конденсационной кривой, то будет наблюдаться испарение воды с поверхности элемента, а если выше, конденсация паров на поверхность элемента. Так, метеоточка А, изображённая на рис. 37, соответствует испарению воды с элементов с температурами 50 °C (и выше) и конденсации водяных паров на элементах с температурой 40 °C (и ниже). Охлаждение и нагрев воздуха в выделенном объёме соответствуют перемещению точки А по кривой А1А2, а потому не изменяют результатов выполненного выше анализа. Указанные кривые могут быть использованы при анализе банных процессов по результатам измерения температуры и относительной влажности воздуха гигрометром.

Рис. 37. Конденсационные кривые — теоретические зависимости относительной влажности воздуха (по гигрометру) от температуры воздуха Тс (по сухому термометру) при разных фиксированных точках росы воздуха Тр (указанных числами у кривых). Если условная метеоточка А расположена ниже конденсационной кривой для точки росы, равной температуре элемента, то происходит испарение влаги с поверхности элемента (потолка, стены, пола, полка, человека и т. п.). Если же точка А расположена выше конденсационной кривой для точки росы, равной температуре элемента, то происходит конденсация воды из воздуха на поверхность элемента. Кривая А1А2 представляет собой конденсационную кривую для такой температуры условного элемента, при которой не происходили бы ни конденсация, ни испарение с элемента в воздухе, описываемом метеоточкой А. При охлаждении или нагреве воздуха с исходными метеоусловиями, отвечающими точке А, точка А перемещается вдоль кривой А1А2 (при условии отсутствия процессов испарения и конденсации на элементы). Конденсационная кривая для температуры 40 °C является хомотермальной кривой, см. рис. 29.

Отметим, что подобный анализ абсолютно аналогичен рассуждениям, проведённым в разделе 5.3 при введении понятия хомотермальной кривой, которая, кстати, эквивалентна конденсационной кривой для температуры 40 °C.

Основным выводом настоящего раздела является необходимость учёта не только охлаждения, но и осушения воздуха на холодных элементах бани. Это в общем-то тривиальное заключение, тем не менее очень часто недооценивается при проектировании и строительстве бань. Во-первых, по той причине, что ошибочно полагают основным параметром бани температуру, а не влажность воздуха. Действительно, чем горячее воздух, тем до более высокой температуры нагревается полок бани или, скажем, медальон на теле. Но если турецкую, например, баню залповым образом проветрить, то вернуть прежние тепловые для человека метеоусловия без повторного увлажнения воздуха не удаётся, хотя температура воздуха тотчас поднимется до прежних значений за счёт массивного тёплого пола и стен. При низких температурах бани (ниже 60–80 °C) без увлажнения воздуха жары в бане не добиться. Во-вторых, привыкнув к факту беспрерывного циркуляционного нагрева воздуха от печи (или от иного горячего элемента) и его охлаждения на потолке, стенах и полах, обеспечивающего прогрев помещения бани, порой забывают, что осушение воздуха на холодных элементах вовсе не компенсируется простым нагревом от печи — необходимо столь же постоянно и увлажнять воздух (например, поддачами или горячим влажным потолком в русской бане).

Если охлаждение воздуха определяется соотношением температур воздуха и холодного элемента, то осушение воздуха — соотношением точки росы воздуха и температуры холодного элемента. Скорость же осушения определяется разностью абсолютной влажности воздуха и плотностью насыщенного пара при температуре холодного элемента. А так как плотность насыщенного пара изменяется с температурой очень сильно (экспоненциально), то скорость осушки воздуха на холодном элементе растёт быстрее со снижением температуры холодного элемента, чем скорость охлаждения воздуха. Поэтому наличие сверххолодных элементов (например, ледяных полов) оказывает более сильное влияние на влажность нежели на температуру воздуха в бане. Это может привести к тому, что иная баня неплохо «держит температуру» (тем более за счёт постоянного подогрева воздуха стенами), но «не держит жар» в том смысле, что «не держит пар».

Бани, которые «не держат пар», называются сухими саунами. В сухих саунах обязательно имеется холодный элемент, осушающий воздух (либо имеется приточная вентиляция, подающая сухой воздух, см. раздел 8). Циркуляция воздуха в сауне повышает эффективность осушки воздуха на холодном элементе, поскольку подает на холодную конденсирующую поверхность большее количество влажного воздуха. В принятой конструкции финских сухих саун циркуляция воздуха достигается за счёт мощного восходящего воздушного потока у горячих стенок мощной металлической печи. Поэтому в России сухими саунами (или просто саунами) условно именуют в быту бани с мощной металлической печью и холодным полом, которые «не держат пар» в том смысле, что увлажнённый любым образом воздух тотчас осушается.

К баням, которые «держат пар», относятся хаммамамы и русские белые бани, поскольку они не имеют холодных элементов или, во всяком случае, постоянных мощных циркуляционных потоков. В русских парных белых банях с закрытой каменкой предусмотрена возможность быстрого осушения воздуха в бане с помощью веника, направляющего горячий влажный воздух на холодный пол («посадка пара»), а также быстрого увлажнения воздуха в бане с помощью поддач.

4.6. Процессы лучистого нагрева

В земной атмосфере воздушную метеообстановку дополняет наличие излучения Солнца, которое может кардинально изменить впечатление человека о погоде. Так и в бане на климатические параметры накладывается влияние теплового излучения от нагретых стенок печи, потолка, стен, излучателей.

Рис. 38. Спектральный состав излучения Солнца в относительных единицах: 1 — до прохождения атмосферы, 2 — после прохождения атмосферы с учётом поглощения компонентами атмосферы. Длина волны 1 мкм (микрометр, микрон) равна одной тысячной миллиметра (мм) и одной миллионной метра (м). Иногда микрон обозначается как 1 мк. Тысячная доля микрона называется миллимикроном 1 ммк (или нанометром 1 нм=1 ммк), который в свою очередь равен десяти ангстремам (1 А=10-10м).

Тепловое излучение (называемое также инфракрасным излучением, лучистым нагревом, лучистой теплопередачей, лучистым теплопереносом, радиационной составляющей теплового потока и т. п.) представляет собой электромагнитное излучение светового диапазона (называемого также светом, световой радиацией, световыми лучами, световым излучением, световыми волнами, квантами и т. п.). Световой диапазон волн 10-8- 10-4 метров (от 0,01 мкм до 100 мкм) располагается между диапазоном радиоволн и диапазоном рентгеновских волн и отличается тем, что поглощается биологическими тканями с выделением тепла. Световой диапазон в свою очередь подразделяется на ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,4 мкм (0,315-0,400 мкм А-диапазон; 0,28-0,315 мкм В-диапазон; 0,200-0,280 мкм С-диапазон, менее 0,2 мкм — вакуумный ультрафиолет), видимые лучи (фиолетовые 0,40-0,42 мкм, синие 0,42-0,49 мкм, зелёные 0,49-0,53 мкм, жёлтые 0,53-0,59 мкм, оранжевые 0,59-0,65 мкм, красные 0,65-0,75 мкм) и инфракрасные лучи с длиной волны более 0,75 мкм (0,75-1,5 мкм А-диапазон; 1,5–3,0 мкм В-диапазон; более 3,0 мкм С-диа-пазон). На рис. 38 представлен спектральный состав излучения Солнца, охватывающий и ультрафиолетовые, и видимые, и инфракрасные лучи. Излучение Солнца по спектральному составу близко к излучению абсолютно чёрного тела при температуре 5600 °C. Столь высоких температур в бане не бывает: высокоинтенсивные источники света типа софитов имеют температуру порядка 3000 °C, обычные лампочки накаливания 2000 °C, раскалённые угли в печи 1500 °C, внутренние стенки топливника кирпичной печи 1000 °C, стенки металлической печи 500 °C, внешние стенки топливника кирпичной печи 100 °C. Спектральный состав излучения поверхностей аналогичен составу излучения абсолютно чёрного тела (рис. 39) с поправкой на степень черноты поверхности. С уменьшением температуры излучающей поверхности очень быстро уменьшается общая мощность излучения (теплоотдача излучением), равная площади под кривой Планка W=εσ(Т+273)4, где σ=5,67 х 10-8 Вт/(м2град4) — постоянная Стефана-Больцмана, (Т+273) — абсолютная температура в градусах Кельвина, Т — температура в градусах Цельсия (рис. 40). Кроме того, с уменьшением температуры излучающей поверхности спектральный состав излучения сдвигается в сторону инфракрасного излучения, и потому всё меньшая доля приходится на видимый диапазон. Максимум (пик) спектральной зависимости мощности излучения Вλ (кривой Планка) приходится по закону Вина на длину волны λmax(мкм) = 2898/(Т+273), где Т — температура в градусах Цельсия °С. Если площадь под кривой Планка принять равной 100 %, то площадь под восходящей ветвью λ,<λ,мах составит 25 %, а под нисходящей λ,>λ,мах составит 75 % суммарной площади.