Теория бань - Хошев Юрий Михайлович - Страница 25

Вышеприведённые соображения лежат в основе теории чёрных бань и курных изб (Ю.М. Хошев. БАНБАС, 6/24, 2002 г., стр. 58), но могут быть распространены на бани современных типов. В качестве исходной модели выберем схему современной сухой высокотемпературной сауны с холодным полом (рис. 35). Сауна содержит вместо очага металлическую печь 1 (на твёрдом, жидком или газообразном топливе или электрическую) с металлическими экранами 8 (кожухом), образующими калориферный нагреватель воздуха, и каменкой для поддач 4. Раскалённые (может быть, и докрасна) стенки печи создают в калориферном зазоре вертикальный поток воздуха 2, распространяющий тепло от печи (и пар от каменки) по всему объёму бани. Предположим условно, что общий объём сауны равен 10 м³, причём 7,5 м³ из них заняты циркулирующим воздухом, а 2,5 м³ — застойными зонами, печью и другими неподвижными предметами. Примем условно, что мощность нагрева воздуха равна 20 кВт, имея в виду при этом, что в металлических печах мощность теплоотдачи в воздух близка (сравнима) с мощностью, выделяющейся в топке печи от горения дров или нагрева тепловыделяющих электрических элементов (ТЭНов). Печь забирает холодный воздух с пола с температурой 20 °C, нагревает до температуры 100 °C и направляет к потолку. Исходя из теплоёмкости воздуха, скорость циркуляционного потока составит 900 кг/час, а в бане находится всего 7,5 кг движущегося воздуха. Это означает, что весь воздух в сауне 120 раз в час проходит около печи, нагревается, увлажняется (при поддачах), затем по потолку и стенам (сверху вниз) достигает пола, охлаждается, осушается (выделяет конденсат в виде росы) и вновь поступает к печи для нагрева. Этот режим и называется сухой высокотемпературной сауной. Он стал возможным лишь в результате внедрения в банную практику металлических печей с мощной теплоотдачей. Характерной чертой этого режима является невозможность постоянного накопления влаги в воздухе, а также невозможность сохранения высокой влажности воздуха. Действительно, для получения в сауне объёмом 10 м³ воздуха с абсолютной влажностью 0,05 кг/м³ необходимо истратить 0,5 кг воды. Стандартный парогенератор (кипятильник) мощностью 1,3 кВт выдаёт столько пара за 20 минут.

Рис. 36. Диаграмма изменения состояния воздуха в выделенном объёме, перемещающемся вдоль циркуляционной кривой в бане. 1 — исходная точка состояния (условная метеоточка у потолка бани), 2 — охлаждение без конденсации паров воды из воздуха, 3 — теоретическая зависимость плотности насыщенного пара от температуры, 4 — охлаждение с конденсацией паров воды из воздуха, 5 — нагрев воздуха около печи, 6 — метеоточка конца цикла без увлажнения, 7 — увлажнение воздуха паром, поступающим из каменки при поддаче.

Но за это время увлажняющийся воздух успеет пройти около пола 40 раз, каждый раз осушаясь. Так что высокая влажность воздуха не может быть достигнута. Даже если 0,5 кг воды испарить «мгновенно» (то есть за несколько секунд в большой каменке с мощностью парообразования 300-1000кВт), то всё равно после кратковременного «парового толчка» через минуту вся вода окажется на полу.

На рисунке 36 представлена типичная диаграмма осушки воздуха в сауне. Увлажнённый воздух (например, с температурой 70 °C и абсолютной влажностью 0,08 кг/м³), соответствующий исходной точке 1, в процессе циркуляционного движения в бане охлаждается на полу сначала до 50 °C без конденсации (участок 2), а затем до температуры 30 °C с выделением росы (участок 4), нагревается около печи до исходной температуры 70 °C (участок 5). Замыкание цикла (переход от точки 6 к точке 1 на участке 7) требует увлажнения воздуха с 0,03 кг/м³ до 0,08 кг/м³, и если оно не происходит, воздух остаётся сухим.

Причиной указанного осушения воздуха является его крупномасштабная циркуляция при наличии в бане поверхностей более холодных, чем воздух, например, тела человека, пола, баков с холодной водой. При мелкомасштабной циркуляции (микротурбулентности), когда потоки воздуха не достигают холодных элементов, процесс осушки проявляется не столь отчётливо.

Снизим скорость циркуляции, для чего, прогрев каменку, гасим печь. При этом конструктивно получаем нечто похожее на протопленную «чёрную баню» с открытой каменкой, но размер каменки у металлической печи обычно значительно меньше, чем в чёрной бане — дымной сауне. Положим, что мощность каменки по нагреву воздуха составляет 2 кВт. Это означает, что скорость циркуляции сокращается со 120 раз до 12 раз в час (со 120 до 12 крат). То есть характерное время осушения увеличивается с полминуты до 5 минут. Это уже приличное время, и человек отчётливо чувствует длительное увлажнение воздуха. Такая баня считается влажной, поскольку при длительных увлажнениях воздуха всё более характерным становится потоотделение в форме потения. Поскольку линейные скорости перемещения воздушных масс при погасании печи сокращаются с (0,1–1) м/сек до (0,01-0,1) м/сек, открывается возможность «вручную» воздействовать на потоки воздуха с помощью веника. Имеются в виду известные традиционные банные операции «разгона пара» по стенам и «посадка пара» на пол, обеспечивающие при необходимости быструю осушку воздуха, чтобы сделать «пар лёгким».

Ещё сильней снизим скорость циркуляции воздуха в бане, для чего прикроем каменку теплоизолированной термостойкой крышкой. Предположим, что мощность теплоотдачи каменки снизится до 0,5 кВт. Кратность циркуляции снизится до 3 раз в час, а линейные скорости воздушных потоков — до (0,001-0,01) м/сек. Это уже практически неподвижный воздух. Вся баня будет представлять собой единую застойную зону, движение воздуха в которой полностью определяется движениями веника и перемещениями людей. Если в этих условиях увлажнить воздух, то высокая влажность будет сохраняться до 20 минут, а при полной изоляции каменки ещё дольше. Это значит, что воздух можно увлажнять не только мощной поддачей на камни, но даже и медленным накапливанием пара в воздухе за счёт испарений влаги с тела человека или воды с тёплого пола. Такая баня считается предельно влажной (и даже паровой) и не способной к быстрому изменению метеопараметров. Характерным примером такой бани с практически неподвижным воздухом является хаммам.

Выполненный анализ показывает, что в бане, как и в земной атмосфере, метеорологическая обстановка будет определяться тем, имеются или нет крупномасштабные перемещения воздуха. Если сильных подвижек воздуха нет, то погода будет формироваться исключительно местными явлениями нагрева, испарения и конденсации. Но если потоки воздуха возникают, то они могут принести с собой те метеоусловия, которые возникли, может быть, очень далеко от этой местности. Так, дожди в Финляндии, скорее всего, обуславливаются процессами испарения где-нибудь в Атлантике, а не в самой Финляндии, и приносятся перемещающимися циклонами. Применительно к человеку в бане это означает, что бани с неподвижным воздухом являются малоконтрастным и влажными, поскольку испарение пота (влаги) с кожи приводит к постепенному накапливанию влаги в воздухе вокруг человека точно так же, как в непроветренном помещении. Появление воздушных потоков делает баню контрастной, малопредсказуемой, способной давать и мощные волны жгучего пара, и быстро осушаться. То есть баня с подвижным воздухом может быть и паровой (преимущественно кратковременно), и сухой (долговременно) в зависимости от пространственного распределения метеоусловий вдоль траектории воздушных потоков (Б.А. Семенченко, Физическая метеорология, м.: Аспект-Пресс, 2002 г.).

Неподвижность воздуха в бане означает, что в ней могут находиться неперемешивающиеся между собой индивидуальные застойные зоны с разными метеопараметрами. Например, если в хаммаме обогреваемый пол мокрый и имеет температуру 55 °C, то около него формируется застойная зона воздуха с температурой 55 °C и абсолютной влажностью 0,1 кг/м³, соответствующей плотности насыщенного пара при 55 °C (то есть отвечающей относительной влажности воздуха 100 % для 55 °C). В то же время в метре от пола, где на каменных лежаках (может быть, и мокрых) с температурой 40 °C лежат люди (может быть, и потные) с температурой кожи 40 °C, процессы испарения и конденсации формируют иную застойную зону с температурой 40 °C и абсолютной влажностью 0,05 кг/м³ (с относительной влажностью воздуха 100 % для 40 °C). А наверху у свода потолка с температурой, например 30 °C, формируется своя застойная зона с абсолютной влажностью воздуха 0,03 кг/м³ (с относительной влажностью воздуха 100 % для 30 °C).