|
О строительстве традиционном и не очень. Статьи 1-99.--->
О строительстве традиционном и не очень. Статьи 100-199.
Аэродинамика парной.
Ю. Хотев
Начало в журнале «Дом» № 9 за 2008 г.
Начало в журнале «Дом» № 10 за 2008 г.)
В предыдущих статьях мы рассматривали изотермическую баню, все элементы которой имеют одну и ту же температуру, кроме тела человека, которое нагреться выше 40°С не может по чисто физиологическим причинам. В реальности печь, пол, стены и потолок бани имеют разные температуры. При этом в бане всё перемешивается за счёт потоков воздуха. Но при всей запутанности картины можно выделить основные процессы, позволяющие понять суть происходящего.
Рассмотрим частный, но очень наглядный пример чёрной бани (дымной сауны), схема которой приведена на рис. 1.
Рис. 1.
Динамика воздушных потоков в чёрной (курной) бане: 1 — открытый очаг из камней; 2—дверь; 3 — вентиляционный поток при открытой двери; 4 — циркуляционный поток; 5 — застойная зона.
При протопке бани холодный воздух от двери по полу поступает к очагу, нагревается и в виде смеси с дымовыми газами поднимается вверх, расстилается по потолку и выходит наружу через верх двери. Такая траектория называется вентиляционной приточно-вытяжной кривой и является разомкнутой (замыкается вне помещения).
Если прикрыть дверь, то потоки воздуха не исчезнут, поскольку причиной их возникновения является очаг, нагревающий воздух. Получившаяся при этом траектория движения воздуха (в том числе и дыма) называется рециркуляционной кривой и является замкнутой. Именно циркуляционные потоки приводят к задымлению помещения, а также к нагреву стен и полов нисходящими потоками горячего воздуха и дыма. При протопке очага с открытыми дверями нельзя ходить по помещению, размахивая руками, поскольку возникающее при этом перемешивание воздуха тотчас нарушает ламинарно текущие вдоль потолка потоки дыма и помещение полностью задымляется.
В реальных условиях циркуляционные и вентиляционные потоки воздуха обычно существуют одновременно. Для понимания банных процессов главным является циркуляционный поток. Зная его траекторию в помещении, можно расположить приточные и вытяжные отверстия так, чтобы полностью «разомкнуть» при необходимости циркуляционную кривую и организовать эффективную вентиляцию.
В помещениях бань обычно имеется одна или несколько застойных зон (под полками тоже), движение воздуха в которых может быть создано лишь дополнительными факторами — передвижением людей, взмахами веников, вентиляторами и т.п.
Протопив баню, погасив очаг и закрыв дверь, мы уже не видим клубов дыма — их нет. Но циркуляционные потоки не исчезают, поскольку раскалённые камни нагревают воздух так же, как пламя очага. Если плеснуть воду на камни, то и горячий увлажнённый воздух будет двигаться по циркуляционной траектории. В отличие от задымленного воздуха горячий увлажнённый воздух, достигая холодного пола, может не только охлаждаться, но и осушаться за счёт конденсации.
Если охлаждение воздуха на полу компенсируется последующим нагревом над камнями, то осушение воздуха ничем не компенсируется (если только не «поддавать» на камни постоянно). Поэтому как ни увлажняй однократными «поддачами» движущийся в чёрной бане воздух, всё равно он через два-три оборота неминуемо осушится. Это говорит о том, что чёрная баня с мощным тепловыделением и холодным полом способна давать мощные волны горячего пара, распространяющиеся на весь объём бани, но в то же время быстро исчезающие. Без «поддач» такая баня является сухой.
Эти соображения лежат в основе теории чёрных бань и курных изб, но могут быть распространены и на бани современных типов.
В качестве исходной модели выберем схему современной сухой высокотемпературной сауны с холодным полом (рис. 2).
Рис. 2.
Динамика воздушных потоков в модельной бане: 1 — металлическая печь с каменкой; 2 — циркуляционный поток воздуха; 3 — микроциркуляционый поток воздуха, не достигающий пола (с учётом преград); 4 — поток пара из каменки, подмешивающийся в циркуляционный поток; 5 — вентиляционное отверстие; 6 — вытяжной поток воздуха; 7 — приточный поток воздуха; 8 — металлический экран (кожух).
Сауна содержит вместо очага металлическую печь с металлическими экранами (кожухом), образующими калориферный нагреватель воздуха, и каменкой для «поддачи». Раскалённые стенки печи создают в калориферном зазоре вертикальный поток воздуха, распространяющий тепло от печи (и пар от каменки) по всему объёму бани.
Предположим, 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 также, что мощность нагрева воздуха равна 20 кВт, имея в виду, что в металлических печах мощность теплоотдачи в воздух сравнима с мощностью, выделяющейся в топке печи от горения дров или нагрева ТЭНов.
Печь забирает холодный воздух от пола с температурой 20°С, нагревает его до температуры 100°С 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»), а 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, который и называется сухой высокотемпературной сауной, стал возможным в результате внедрения в банную практику металлических печей с мощной теплоотдачей. Характерной чертой этого режима является невозможность постоянного накапливания 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 кипятильник мощностью 1,3 кВт выдаёт столько пара за 20 мин. Но за это время увлажняющийся воздух успевает пройти около пола 40 раз, каждый раз осушаясь. Так что высокая влажность воздуха здесь не может быть достигнута. Даже если 0,5 кг воды испарить «мгновенно», то есть за несколько секунд, в каменке с большой мощностью парообразования, всё равно после кратковременного «парового толчка» через минуту вся вода окажется на полу.
На рис. 3 представлена типичная диаграмма осушения воздуха в сауне.
Рис. 3.
Диаграмма состояния воздуха в выделенном объёме, перемещающемся вдоль циркуляционной кривой: 1 — исходная точка состояния (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».
Увлажнённый воздух (например, с температурой 70°С и абсолютной влажностью 0,08 кг/м3), соответствующий исходной точке 1, в процессе циркуляционного движения в бане охлаждается на полу сначала до 50°С без конденсации (участок 2), а затем до температуры 30°С с выделением росы (участок 4), а потом нагревается около печи до исходной температуры 70°С (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 этого не происходит, воздух остаётся сухим.
Снизим скорость циркуляции, для чего погасим печь. При этом получим нечто похоже на протопленную «чёрную баню» с открытой каменкой, с той лишь разницей, что размер каменки у металлической печи обычно значительно меньше, чем в чёрной бане.
Предположим, что мощность каменки по нагреву воздуха составляет 2 кВт. Это означает, что скорость циркуляции сокращается со 120 раз до 12 раз в час. То есть характерное время осушения увеличивается с 0,5 до 5 минут. При таком довольно приличном времени человек уже отчётливо чувствует длительное увлажнение воздуха. Такая баня считается влажной, поскольку при длительных увлажнениях воздуха характерным становится потоотделение в форме потения.
Поскольку линейные скорости перемещения воздушных масс при погасшей печи сокращаются (с 0,1... 1,0 до 0,01...0,1 м/сек), появляется возможность «вручную» воздействовать на потоки воздуха с помощью веника. Здесь имеются в виду известные традиционные банные операции «разгона пара» по стенам и потолку и «посадки пара» на пол, обеспечивающие при необходимости быстрое осушение воздуха, чтобы сделать пар «лёгким».
А теперь прикроем каменку теплоизолированной термостойкой крышкой и тем самым ещё сильней снизим скорость циркуляции воздуха в бане. Предположим, что мощность теплоотдачи каменки при этом 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 (даже паровой) и не способной к быстрому изменению метеопараметров. Характерным примером такой бани с практически неподвижным воздухом является хамам — традиционная восточная паровая баня.
Таким образом 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 это означает, что бани с неподвижным воздухом являются малоконтрастными и влажными, поскольку испарение пота (влаги) с кожи приводит к постепенному накапливанию влаги в воздухе вокруг тела человека точно так же, как в непроветренном помещении. Появление же 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.
Неподвижность воздуха в бане означает, что в ней могут находиться неперемешивающиеся между собой отдельные застойные зоны с разными метеопараметрами. Например, если в хамаме обогреваемый пол мокрый и имеет температуру 55°С, то около него формируется застойная зона воздуха с температурой 55°С и абсолютной влажностью 0,1 кг/м3, (относительная влажность — 100%).
В то же время на высоте 1 м от пола, где на каменных лежаках (может быть, и мокрых) с температурой 40°С лежат люди (может, и потные) с температурой кожи 40°С, процессы испарения и конденсации формируют иную застойную зону с температурой 40°С и абсолютной влажностью 0,05 кг/м3 (с относительной влажностью воздуха 100% для 40°С). А наверху у свода потолка с температурой, например, 30°С формируется своя застойная зона с абсолютной влажностью воздуха 0,03 кг/м3 (с относительной влажностью воздуха 100% для 30°С).
Таким образом, неподвижность воздуха создаёт условия для относительной влажности 100% во всём объёме такого модельного хамама. В отличие от изотермического модельного сосуда (макета турецкой бани), о котором мы уже говорили в предыдущих публикациях, посвященных теоретическим аспектам банных процессов, здесь относительная влажность воздуха 100% может быть достигнута и в неизотермическом сосуде с разными температурами в разных застойных зонах.
Гигрометр в такой неподвижной бане мало что может сказать парильщику. А вот распределение «точек росы» воздуха в объёме бани сразу однозначно определит всю метеообстановку в ней. Так, даже в отсутствие потоков воздуха возникает диффузионный поток молекул воды в неподвижном воздухе из зон с высокой «точкой росы» (с высокой абсолютной влажностью воздуха) в зоны с низкой «точкой росы» (низкой абсолютной влажностью воздуха). Но поскольку воздух во всех зонах до предела насыщен водой (всюду имеет относительную влажность 100%), то это приводит к её конденсации в зонах с низкой абсолютной влажностью воздуха в виде росы (в том числе и на телах людей) и в виде тумана (дымки).
Если же возникают потоки воздуха, то они резко усиливают проникновение высоковлажных объёмов воздуха в холодные зоны с возникновением «клубов пара». Аналогичная картина наблюдается при возникновении над тёплыми водоёмами ночных туманов в холодном воздухе.
Обратим внимание, что воздух с относительной влажностью 100% (до предела насыщенный парами воды) тем не менее способен «испарять» (в
смысле принимать) воду, но только нагретую до температур более высоких, чем температура воздуха, и при этом обязательно образуется туман. Это объясняется тем, что около поверхности воды имеется тонкий пограничный слой воздуха, температура и абсолютная влажность которого выше, чем у окружающего воздуха. Пары воды из него диффундируют в окружающий воздух и там конденсируются.
Неподвижность воздуха в бане всегда создаёт у поверхности воды (будь то у мокрой полки или у потной кожи) застойные зоны с относительной влажностью 100%. Потоки же воздуха разрушают или перемешивают застойные зоны. Поэтому появление движения воздуха может снизить относительную влажность, а может и «повысить» её, что физически означает образование росы или тумана.
Проанализировать возможные последствия появления потоков воздуха в бане можно с помощью модельных умозрительных перемещений выделенного объёма воздуха вдоль возможных траекторий. Имея в виду, что абсолютная влажность воздуха в изолированном выделенном объёме постоянна вне зависимости от факта охлаждения или нагрева воздуха в нём, нетрудно предугадать, будет ли воздух в выделенном объёме увлажняться или осушаться при нарушении изоляции (то есть при контакте воздуха с элементами бани, имеющими ту или иную температуру.
Если «точка росы» воздуха будет ниже температуры элемента бани (пола, полки, потолка и тела человека), то произойдёт 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 его осушение.
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. 4).
Рис. 4.
Конденсационные кривые — теоретические зависимости относительной влажности воздуха (по гигрометру) от температуры воздуха (по сухому термометру) при разных фиксированных «точках росы» воздуха (указаны числами у кривых).
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 — пары будут конденсироваться на поверхность элемента.
Так, метеоточка А на рис. 4, соответствует испарению воды с элементов с температурами 50°С (и выше) и конденсации водяных паров на элементах с температурой 40°С (и ниже).
Охлаждение и нагрев воздуха в выделенном объёме соответствуют перемещению точки А по кривой А1 А2, а поэтому не изменяют результатов выполненного выше анализа. Указанные кривые могут быть использованы при анализе банных процессов по результатам измерения температуры и относительной влажности воздуха гигрометром.
Основной вывод из вышеприведённых рассуждений следующий. Необходимо учитывать, что воздух на холодных элементах бани не только охлаждается, но и осушается. Это, в общем-то — тривиальное заключение. Тем не менее оно очень часто недооценивается при проектировании и строительстве бань. Прежде всего, по той причине, что основным параметром бани ошибочно полагают 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 метеоусловия для человека без повторного увлажнения воздуха не удастся, хотя температура воздуха тотчас поднимется до прежних значений за счёт массивного тёплого пола и стен. При низких же температурах бани (ниже 60-80°С) без увлажнения воздуха жары в бане не добиться.
Осушение же воздуха на холодных элементах не компенсируется простым нагревом от печи — необходимо столь же постоянно и увлажнять воздух (например, «поддачами» или увлажнением горячего потолка 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 осушения воздуха на холодном элементе со снижением его температуры растёт быстрее, 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», но «не держит жар» в том смысле, что «не держит пар».
Бани, которые «не держат пар», называют сухими саунами. В сухих саунах обязательно имеется холодный элемент, осушающий воздух (либо имеется приточная вентиляция, подающая сухой воздух). Циркуляция воздуха в сауне повышает эффективность осушения воздуха на холодном элементе, поскольку подаёт на холодную конденсирующую поверхность большее количество влажного воздуха.
В финских сухих саунах циркуляция воздуха достигается за счёт мощного восходящего воздушного потока у горячих стенок металлической печи. Поэтому в России сухими саунами (или просто саунами) условно именуют 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», относят хамамы 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».
Литература
1. Сауна. Гигиеническая баня для дачника и садовода, М.: «Издательство АСТ», 2004.
2. Теория бань. Учебник, М.: «Книга и бизнес», 2006.
3. Б.А. Семенченко, Физическая метеорология, М.: Аспект-Пресс, 2002 г.
«Дом» 11 2008 Форум «Дела домашние» на www.master-sam.ru
|
