7.9. Парогенерация и парение

7.9. Парогенерация и парение

Оценим, на какое время и на сколько взмахов веника хватит пара в бане при парении. Это время определяется, с одной стороны, влагоёмкостью и теплоёмкостью системы воздух-потолок (в том числе и скоростью генерации пара), а с другой стороны — скоростью потребления пара при конкретном виде парения. Наиболее экономным является парение методом поддач при неподвижном положении тела. При мощности теплоотдачи печи 2 кВт характерное время парения в нашем случае составит около 5 минут, но может быть много большим при полной неподвижности воздуха и много меньшим при использовании веника. Достаточно экономным может быть метод парения мокрым веником, поскольку нагрев его у потолка может вестись без существенных перемещений воздуха. При хлестаниях же, а также при парении веником как опахалом потери пара могут оказаться очень большими, так как громадные массы горячего влажного воздуха проходят мимо тела человека на холодный пол и именно там выделяют скрытую теплоту конденсации водяных паров, а не на теле человека. Один взмах веника перемещает более 0,5 м³ горячего влажного воздуха от потолка вниз, и лишь одна восьмидесятая доля тепла конденсации выделится на теле человека (см. раздел 5.7). Иными словами, для того, чтобы обеспечить один взмах веника, необходимо истратить и подать к потолку более 50 г водяного пара. Причём один взмах посылает на пол более 100 кДж тепла в то время как на прогрев мокрого веника уходит в среднем (20–40) кДж. Становится совершенно ясным, что париться веником как опахалом в самых обычных маленьких парилках (объёмом порядка 10 м³) садовых бань абсолютно невозможно: два-три взмаха посадят пар на пол. Парение веником как опахалом возможно лишь в просторных и высоких парилках городских бань, причём желательно не допускать потоки горячего влажного воздуха на холодный пол, а поэтому парятся на широких деревянных площадках (полках, эстакадах), приподнятых над полом.

Всё это означает, что разные приёмы парения требуют различных способов увлажнения воздуха, в частности различных типов банных потолков. И, наоборот, каждая конструкция бани пригодна лишь для определённых приёмов парения. Об этом часто забывают в современной банной литературе и тем самым теряют способность объяснить, зачем вообще использовался веник и когда он мог использоваться. Дело в том, что бытующие ныне крайне упрощённые банные представления базируются на продвинутых (ранее неведомых) понятиях метеорологической обстановки в зоне нахождения человека. Так, если в бане температура 100 °C, а относительная влажность воздуха 5 %, то это считается сухой сауной. Но человек, помещённый в такую метеозону, тотчас охлаждает воздух вокруг себя своим телом и увлажняет воздух своим потом. Чтобы поддерживать метеопараметры в заданных пределах надо как-то подогревать воздух около тела человека и одновременно осушать его. Это означает, что человек должен находиться в потоке воздуха, и этот поток воздуха должен поддерживаться постоянно то ли веником, то ли печью, то ли вентилятором. Но та же задача удержания метеопараметров воздуха около человека может быть решена и в неподвижном воздухе с помощью диффузионных механизмов путём поддержания стен сауны при повышенной температуре, но при пониженной абсолютной влажности воздуха. Это значит, что сухая сауна может мыслиться совершенно по-разному, и париться в сауне можно по-раз-ному, в зависимости от конструктивных особенностей, оговаривать которые совершенно необходимо для правильного понимания физики процесса.

Рис. 62. Схема образования парового слоя у потолка бани, изготовленного из непористого материала. Слева — распределение температуры стен по высоте бани: 1 — исходное, 2 — после первой серии поддач, 3 — после второй серии поддач, 4 — пар, истекающий из каменки и имеющий температуру у потолка, равную условно 100 °C, 5 — полки, Н — высота потолка над верхней полкой.

Точно также режим паровой бани, например, с температурой 70 °C и относительной влажностью воздуха 50 % (с абсолютной влажностью воздуха 0,1 кг/м³) можно поддерживать по-разному, причём значительно более разнообразней, чем режим сухой сауны. Это и метод циркуляционной паровой сауны (чёрной бани), и метод поддач в условно неподвижный воздух белой бани, и метод диффузионного увлажнения от горячих мокрых стен в неподвижном воздухе, и метод парения в потоке воздуха от веника и т. д. Не все эти методы используются на практике, а только те, которые легче реализовать конструктивно, а ещё точнее те, которые сами по себе реализуются в случайно выбранной (по разумению строителя) конструкции. Все конструктивные особенности рассмотреть невозможно (поскольку их сотни и тысячи), поэтому поясним мысль на простейших примерах, частично встречавшихся ранее, но в другом ракурсе.

Рассмотрим две белые хорошо просушенные и проветренные бани с одинаковыми размерами, с одинаковыми печами каменками. Только у одной бани стены и потолки по-деревенски массивные бревенчатые, а в другой брёвна изнутри по-современному утеплены минватой и облицованы малотеплоёмким покрытием — тонкой сталью, фольгой, поликарбонатным пластиком или тонкой вагонкой (как в сауне). Плеснём, например, по одному литру воды в каменки обеих бань. В случае бревенчатых стен получим лишь кратковременный всплеск температуры и влажности воздуха, после чего всё тепло и влага пара уйдёт в брёвна: баня явно «не держит пар», хотя потоков воздуха, как в саунах, нет. В случае же малотеплоёмких стен и потолков температура потолка и воздуха быстро подскакивает до 100 °C и удерживается на этом уровне («баня держит пар»). Однако, мнение о том, что «баня держит пар» оказывается очень условным: стоит махнуть веником или пройтись по бане, телом «расталкивая воздух», или организовать упорядоченную вентиляцию или циркуляцию (как в сауне), тотчас «пар» исчезает, потому что его мало, а потолок хоть и горячий, но малотеплоёмкий и быстро остывает. Таким образом, в бане с утеплёнными малотеплоёмкими потолками при малых поддачах можно париться лишь «методами поддач», неподвижно сидя на полке. Такой случай реализуется в современных саунах, если в них заменить традиционную металлическую печь с открытой каменкой на теплоизолированную закрытую каменку в термосе, то есть если устранить упорядоченные воздушные потоки.

Рис. 63. Плотность абсолютно сухого воздуха (1) и максимально увлажнённого (сырого) воздуха со 100 %-ной относительной влажностью (2). Рисунок на графике показывает, что образующийся над каплей воды 3 лёгкий влажный воздух 4 всплывает вверх, а вместо него подсасывается тяжёлый сухой воздух 5 (схема образования циклона над морской поверхностью).

Если в каменки обеих бань плеснуть ещё воды, например, ещё по одному литру, то картина изменится. Теперь бревенчатый потолок уже прогрелся, но пара у потолка пока мало, так как пар поглотился гигроскопической древесиной потолка и стал слишком «лёгким». Можно погреться, лёжа на полке и даже слегка обмахиваясь веником, поскольку горячий потолок массивный и быстро остывать не может. Но прогреть мокрый веник у потолка не удаётся, поскольку воздух сухой, и веник охлаждается за счёт испарения воды с листьев. Что касается бани с малотеплоёмким потолком, то пар, выделившийся из каменки при поддаче, уже не может конденсироваться на горячем потолке (поскольку его температура уже выше 100 °C) и образует у потолка всё более возрастающий по толщине слой практически чистого пара (рис. 62). При отсутствии движения воздуха паровой слой вполне устойчив, поскольку плотность влажного воздуха ниже, чем сухого (рис. 63). Поскольку в рядовых дачных банях высота Н от полка до потолка редко когда намного превышает 1 метр (то есть лишь бы сидеть, не стукаясь головой о потолок), то появление ошпаривающего парового слоя, практически непереносимого, означает, что париться уже методом поддач становится невозможно. Чаще всего паровой слой сразу же «разгоняют» веником и «сажают на пол», поскольку чистый пар при 100 °C это фактически кипяток и даже при малых количествах означает ожог тела. При взмахах веника паровой слой разрушается и тотчас исчезает, так как восстанавливаться и подпитываться в случае непористого потолка он может только от каменки.

Если в бане с массивным бревенчатым потолком поддать ещё раз, то потолок прогреется до 70–90 °C и увлажнится, к примеру, так, чтобы влажность воздуха достигла 50–60 %. В этом режиме «лёгкого пара» можно и просто греться, и париться веником как опахалом, и хлестаться, причём потери пара при парении тотчас компенсируются испарением влаги с потолка. В то же время следует отметить, в сухом «лёгком паре» прогреть веник не удаётся из-за сильного испарительного охлаждения. Поэтому парение методом хлестания с нагревом веника у потолка возможно лишь в случае «тяжёлого жгучего пара», то есть при ещё более влажном (а лучше искусственно предельно увлажнённом) потолке. «Лёгкий пар» и нагрев веника — это понятия совместимые лишь при относительно низких температурах до 60–70 °C (рис. 56, 64), когда нагрев веника чрезвычайно длителен.

Рис. 64. Зависимость равновесной относительной влажности древесины от температуры при различных относительных влажностях водуха ф, указанных при кривых в процентах.