Теория бань - Хошев Юрий Михайлович - Страница 30

Поскольку тепловыделение внутри организма составляет не менее 75–90 % от энергозатрат (и только 10–25 % энергозатрат преобразуется в полезную работу), то человеку становится жарко от тяжёлой физической работы при тепловыделении порядка 0,2–0,3 кВт/м² (площадь поверхности человека условно принята на уровне 1 м²). Характерные механизмы теплоотдачи одетого человека, ведущего обычную деятельность, приведены на рис. 44.

Таким образом, можно предположить, что тепловые потоки на тело ниже 0,1–0,2 кВт/м² человек ощущает как незначительные, влияющие на ощущения человека лишь при длительных экспозициях, например, на рабочих местах на производствах, в турецких банях или ИК-кабинах. Тепловые потоки выше 1 кВт/м² человек ощущает как значительные (тотчас ощущаемые). Напомним, что в официальной медицинской фототерапии потоки тепла подразделяются на мягкие 1-20 Вт/м², средние 20-300 Вт/м² и жёсткие 300- 5000 Вт/м².

Нагрев (или охлаждение) тела человека (или отдельных его частей) происходит за счёт следующих механизмов:

— лучистой теплопередачи,

— кондуктивной теплопередачи (теплопроводности),

— конвективной теплопередачи,

— испарения влаги с поверхности тела или конденсации паров воды на поверхность тела из воздуха.

Лучистая теплопередача и её особенности уже рассмотрены в предыдущем разделе (рис. 42). Выполним аналогичный анализ и для других процессов теплопередачи.

Кондуктивная теплопередача обусловлена движением молекул и может наблюдаться и в подвижном (даже навстречу газовому потоку), и в абсолютно неподвижном воздухе в случае наличия зон воздуха с различной температурой. В горячих зонах молекулы более энергичны (имеют большую скорость), чем в холодных зонах. Поэтому в процессе взаимной диффузии (миграции) молекулы из горячих зон приносят добавочное тепло, а молекулы, прибывшие в горячие зоны из холодных, приносят холод. Величина кондуктивного теплового потока равна q_конд=λΔТ/σ, где λ — коэффициент теплопроводности среды, ΔТ — перепад температуры на слое среды толщиной σ. Величина ΔТ /σ называется градиентом температуры в среде. Величина α_к=λ/σ называется коэффициентом кондуктивной передачи. Для оценочных расчётов можно принять α_к =10 Вт/(м² град) для любых поверхностей (для раздетого ли человека, нагретых или охлаждённых стен, батарей отопления и других условно плоских поверхностей в неподвижном воздухе). Так, например, человек, выделяющий внутри себя в состояний покоя 60 Вт тепла постоянно, сбрасывает это тепло излучением α_л(Т_к-Т), где α_л=7 Вт/(м² град) — коэффициент бытовой лучистой теплопередачи, и теплопроводностью воздуха α_к(Т_к-Т), где α_к =10 Вт/(м² град), вследствии чего раздетый человек с температурой кожи Т_к =30 °C не мёрзнет в состоянии покоя при температуре воздуха и стен 26 °C. Действительно, в соответствии с исследованиями Кричагина (1966 г.) термический комфорт раздетого лежачего человека достигается при 25–27 °C. Но если человек находится на ярком солнце, например, в высокогорных Альпах, где уровень солнечного излучения достигает 1,05 кВт/м² (причём за счёт отражения от снега излучение исходит со всех сторон), то раздетый человек с сухой кожей в окружении деревьев не мёрзнет в абсолютно полный штиль даже при температуре воздуха снега и деревьев на уровне минус 30 °C. Но малейшие дуновения воздуха изменяют всю картину, поскольку добавляется теплоотвод за счёт конвекции (движения) воздуха. При скорости ветра 3 м/сек человек с сухой кожей на солнце в условиях высокогорья мёрзнет уже при 0 °C. Если вокруг деревьев нет, то заметным становится и вклад потери излучения в ясное небо (космос). Ещё серьёзней будут последствия увлажнения кожи раздетого человека.

Рис. 44. Характерные уровни теплопередачи одетого человека с сухой кожей при различных температурах воздуха. 1 — тепловыделение человека (обычная теплоотдача), 2 — вклад теплоотдачи испарением, 3 — вклад теплоотдачи конвекцией, 4 — вклад теплоотдачи теплопроводностью, 5 — вклад теплоотдачи излучением.

Конвективная теплопередача наблюдается только при движении воздуха. Если в случае кондуктивной теплопередачи каждая энергичная молекула с трудом мигрирует среди других молекул воздуха из горячей зоны в холодную, то в случае конвективной теплопередачи все энергичные молекулы могут разом «сдуться» ветром в составе всей массы воздуха из горячей зоны в холодную. Конвективный теплопоток равен q_кoнв(кBт/м²)= С_рρV(Т₁-Т₂)=1,ЗV(Т₁-Т₂), где С_р и ρ — массовая теплоёмкость и плотность воздуха, V — скорость перемещения воздуха (ветра) в м/сек, Т₁ и Т₂ — температуры горячей и холодной зон в °С. Именно эта конвективная теплопередача имелась в виду в разделе 5.5 при рассмотрении аэродинамики бани. Так, металлическая печь нагревает вокруг себя воздух до температуры Т₁, этот горячий воздух постоянно «сдувается» потоком ветра (конвективным потоком) и заменяется на холодный воздух с температурой Т₂, который в свою очередь начинает нагреваться от стенки печи. При этом воздух, контактирующий с горячей поверхностью, вовсе не обязан успеть нагреться до температуры поверхности. Нагревается до температуры поверхности лишь тонкий пристеночный слой, причём скорость его скольжения вдоль поверхности может быть много меньшей, чем скорость всего набегающего газового потока.

Если горячий воздушный поток поступает, например, сверху вниз с потолка на холодный пол (или на тело человека), то лишь небольшая (по экспериментальным оценкам примерно одна двухсотая) доля тепловой энергии горячего воздуха отдаётся самому полу. Это объясняется той банальной причиной, что не весь горячий воздух из набегающего потока может вступить в контакт с холодным полом, а лишь очень небольшая его доля. Если поток воздуха ламинарный (то есть не имеет завихрений — турбулентностей), то теплоотдача от поверхности в набегающий поток воздуха в теории бассейнов численно равна q_кoнв(кBт/м²)=0,006VΔT, где V — скорость движения воздуха в м/сек, ΔТ — разница температур воздуха и поверхности. Для ориентировки приведём характеристики силы ветра по шкале Бофорта (Сборник «Путеводитель по цифрам и фактам», М.: Рипол-Классик, 2002):

Ясно, что очень большие скорости ветра в бане могут быть реализованы, может быть, лишь в молодёжных банных аттракционах будущего. В реальных банях скорости воздуха не превышают 5–7 м/сек при использовании вентиляторов и 1–3 м/сек при использовании веников. В носоглотке скорость движения воздуха при вдохе составляет 2-10 м/сек. Под напором ветра понимается избыточное статическое давление, образующееся при торможении ветра перед преградой и равное ρV²/2, где V — скорость ветра. Напомним, что 1 атм= 100000 Па= 750 мм рт. ст.

На рис. 45 представлены тепловые потоки на тело человека в хомотермальных условиях (или в режимах ниже хомотермальной кривой при сухой коже), когда процессы испарения и конденсации невозможны. Все три слагаемых суммарного теплового потока (кондуктивная, конвективная и лучистая составляющие) возрастают с температурой бани и при 100 °C составляют примерно по 0,5 кВт/м², а в сумме 1,5 кВт/м². Такие тепловые нагрузки превышают энерговыделения от тяжёлой физической работы и находятся на уровне воздействия солнечного излучения. Это означает, что могут быть реализованы жаркие климатические условия, но ни о каких обжигающих эффектах в этих режимах говорить не приходится.