4.5. Аэродинамика бани

4.5. Аэродинамика бани

Выше мы рассматривали изотермическую баню, все элементы которой имеют одну и ту же температуру, кроме тела человека, которое нагреться выше 40 °C не может по чисто физиологическим причинам. Но в реальности печь, пол, стены и потолок бани имеют разные температуры, отличающиеся от температуры тела человека. При этом в бане всё неминуемо перемешивается и усредняется потоками воздуха. 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. 34. При протопке чёрной бани холодный воздух от открытой двери 2 по полу поступает в зону очага

1, нагревается и в виде смеси с дымовыми газами поднимается вверх, расстилаясь по потолку, и выходит наружу через верхнюю часть двери. Такая аэродинамическая траектория называется вентиляционной 3 приточновытяжной кривой и является разомкнутой (вернее замыкающейся вне помещения). Если временно прикрыть дверь 2, то потоки воздуха отнюдь не исчезнут, поскольку причиной их возникновения является очаг, нагревающий воздух. Получившаяся при закрытых дверях траектория движения воздушных масс (в том числе и дымовых) называется циркуляционной (рециркуляционной) кривой и является замкнутой. Именно циркуляционные потоки приводят к задымлению помещения, а также к нагреву стен и полов нисходящими потоками горячего воздуха (дымовых газов). Так, при протопке очага с открытыми дверями нельзя ходить по помещению, размахивая руками, поскольку возникающие при этом перемешивания воздуха (циркуляционные потоки) тотчас нарушают ламинарно текущие вдоль потолка потоки дыма, и помещение полностью задымляется.

Рис. 34. Динамика воздушных потоков в чёрной (курной) бане (дымной сауне). 1 — открытый очаг из камней, желательно со сводом, 2 — прикрывающаяся дверь, 3 — вентиляционный поток при открытых дверях, 4 — циркуляционный поток, 5 — застойная зона.

В реальных условиях циркуляционные и вентиляционные потоки воздуха обычно существуют одновременно. Причём для понимания банных процессов главным является циркуляционный поток. Только зная его траекторию в каждом конкретном помещении, можно расположить приточные и вытяжные отверстия таким образом, чтобы полностью «разомкнуть» при необходимости циркуляционную кривую и тем самым организовать эффективную вентиляцию. Кроме того, в помещениях бань обычно имеется одна или несколько застойных зон (в том числе и под полками), движение воздуха в которых может быть создано лишь дополнительными факторами (передвижением людей, взмахами веников, вентиляторами и т. п.).

Рис. 35. Динамика воздушных потоков в модельной бане (сауне). 1 — металлическая печь с каменкой, 2 — циркуляционный поток воздуха, 3 — микроциркуляционный поток воздуха, стеснённый преградами (например, полками) и не способный достичь холодного пола, 4 — поток пара из каменки, подмешивающийся в циркуляционный поток, 5 — вентиляционное отверстие, 6 — вытяжной поток воздуха, 7 — приточный поток воздуха, 8 — металлические листовые экраны от инфракрасного излучения (кожух печи), составляющие калорифер.

Протопив чёрную баню, погасив очаг и закрыв дверь, мы уже не видим циркуляционных клубов дыма, поскольку их попросту нет. Но циркуляционные потоки воздуха не исчезают, поскольку раскалённые камни нагревают воздух так же, как пламя очага. Если плеснуть воду на камни, то горячий увлажнённый воздух будет двигаться по циркуляционной траектории (точно так же, как задымлённый при временном прикрытии дверей топящейся бани). В отличие от задымлённого воздуха горячий увлажнённый воздух, достигая холодного пола, может не только охлаждаться, но и осушаться за счёт выделения конденсата (росы или тумана). Если охлаждение воздуха на полу тотчас 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 неминуемо осушится через два-три циркуляционных оборота. Это свидетельствует о том, что чёрная баня с мощным тепловыделением и холодным полом способна давать мощные волны горячего пара, распространяющиеся на весь объем бани, но в то же время быстро исчезающие. Без поддач такая баня является сухой.

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).

Таким образом неподвижность воздуха создаёт условия его 100 %-ой относительной влажности во всём объёме такого модельного хаммама. В отличие от изотермического модельного сосуда (макета турецкой бани) из раздела 4.2, здесь 100 %-ная относительная влажность воздуха может быть достигнута и в неизотермическом сосуде с разными температурами в разных застойных зонах (см. понятие сырого воздуха далее в разделе 7.6). Ясно, что гигрометр в такой неподвижной бане мало что может сказать парильщику. А вот распределение точек росы воздуха в объёме бани сразу однозначно определит всю метеообстановку. Так, даже в отсутствии 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 100 % относительную влажность), то это приводит к появлению процессов конденсации в зонах с низкой точкой росы 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 и в земной атмосфере при возникновении облаков, а также ночных туманов в холодном воздухе над тёплыми водоёмами. Обратим внимание, что воздух с относительной влажностью 100 % (который до предела насыщен 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 100 % относительной влажностью. Потоки же воздуха разрушат или перемешают застойные зоны. Поэтому появление движения воздуха может снизить относительную влажность, а может и «повысить» её, подразумевая, что превышение относительной влажности воздуха сверх 100 % означает физически образование росы или тумана.

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.