Юрий Хошев - Теория бань
Возвращаясь к процессу увлажнения воздуха методом поддач, выясним, как влияет масса потолка на характеристики бани. Казалось бы, массивный потолок нагреть очень трудно, и при поддачах он будет не столько нагреваться, сколько увлажняться. Но в то же время ясно, что массивный деревянный потолок для своего увлажнения потребует большого количества пара, и потому процессы нагрева могут оказаться существенными. Введём понятие удельной величины поддач, равной процентному отношению массы испарённой (вылитой на каменку) воды m к массе потолка М. Если весь пар подаётся на потолок и там конденсируется, то удельная величина поддачи равна увеличению относительной влажности древесины потолка Δw(%)=100 m/М. Увеличение температуры потолка (всё равно какого: сухого, сырого, пористого или непористого, лишь бы он имел теплоёмкость древесины) при этом за счёт выделения скрытой теплоты конденсации равно ΔТ=(Сисп/Ср)Δw/100, где Сисп=0,63 кВт час/кг — теплота конденсации водяного пара, Ср = 5 10-4 кВт час/(кг. град.) — теплоёмкость древесины. Таким образом из полученного соотношения ΔТ=12,6 Δw следует поразительный результат: увлажнение древесины потолка паром всего на 4 % приводит к нагреву потолка на 50 °C. Это означает, что при исходной температуре потолка (до поддачи) 60 °C удельная величина поддачи Δw=4 % влечёт за собой подъём температуры потолка до 110 °C и фактическую невозможность дальнейшего увлажнения потолка.
Рис. 60. Динамика изменения относительной влажности древесины потолка у, температуры потолка Т, абсолютной влажности воздуха внутри (вблизи) древесины потолка с1, относительной влажности воздуха внутри (вблизи) древесины потолка ф в ходе увеличения удельной величины поддачи ш/М, где ш — масса испарённой воды в каменке и поглощённой (сконденсированной) потолком, М — масса потолка. 1 — непористый потолок (металлический, пластиковый, крашеный и т. п.), 2 — потолок деревянный гигроскопический с начальной нулевой влажностью, 3 — потолок деревянный с начальной относительной влажностью 16 %. Исходная температура потолка 0 °C, температура пара 100 °C.
Численный анализ динамики нагрева и увлажнения потолка при поддачах проведём для потолка в абсолютно сухом исходном состоянии w0=0 при начальной температуре 0 °C. Как и прежде, будем считать, что пар подаётся непосредственно на потолок, причём температуру пара примем равной 100 °C. За базу примем непористый потолок (сплошные линии на рисунке 60), который, естественно, не увлажняется, конденсирует пар с образованием капель росы, падающих на пол. Температура непористого потолка монотонно растёт до 100 °C, а затем остаётся постоянной, поскольку непористый потолок не может нагреваться выше температуры пара (а поступающий пар начинает нагревать стены). Этот случай аналогичен нагреву кастрюли с водой. Относительная влажность воздуха у потолка (крышки кастрюли) равна 100 % постоянно, поскольку на потолке висят капли воды с температурой, равной температуре потолка. Абсолютная влажность воздуха растёт, оставаясь равной плотности насыщенного пара при текущей температуре потолка. Это значит, что воздух у непористого потолка сырой всегда на всех точках сплошных кривых на рисунке 60.
Исходный абсолютно сухой пористый потолок вначале нагревается точно также, как непористый потолок, поскольку конденсирует (хотя и внутри себя) весь поступающий пар (пунктирные кривые на рисунке 60). Однако, нагревшись до 100 °C, недостаточно увлажнённый потолок способен и дальше сорбировать водяные пары из воздуха в силу гигроскопичности, вследствие чего способен нагреться до температур, несколько выше температуры пара, за счёт продолжения выделения теплоты конденсации сорбируемых паров воды. Такое явление вполне обычно: активированный уголь противогаза ведь тоже способен разогреться до температур более высоких, чем температуры сорбируемого газа. В дальнейшем, увлажнившись до равновесного уровня при повышенной температуре, потолок постепенно остынет до температуры пара 100 °C за счёт теплопроводности (а за счёт теплового излучения ещё ниже). Теперь, задаваясь текущей температурой и влажностью деревянного потолка и определяя текущую абсолютную и относительную влажность воздуха внутри (вблизи) древесины по кривым равновесия (рис. 61 и 62), можно убедиться, что воздух в результате поддачи оказывается не сырым, как в случае непористого потолка, а осушённым (за счёт сухой древесины). Такой воздух попадает под определение «лёгкого пара», введённого нами ранее. Значит сухая древесина в бане действительно обеспечивает при поддаче иные климатические условия, нежели непористые потолки и стены.
Рис. 61. Зависмость равновесной относительной влажности древесины от относительной влажности воздуха при различных температурах, указанных при кривых в градусах Цельсия.
Но деревянные потолки в бане в исходном состоянии никогда не бывают абсолютно сухими. Более того, увлажняясь во время очередной серии поддач и остывая во время парения, потолок в паровой бане постепенно становится перед последующими сериями поддач всё более и более увлажнённым. Динамика предварительно увлажнённого потолка (до относительной влажности 16 %) представлена на рисунке 60 штрих-пунктирными кривыми. Характерной особенностью влажного потолка является промежуточная влажность воздуха между случаями сухого пористого потолка и непористого, что является вполне естественным результатом. Начальная влажность древесины 16 % является уже очень высокой величиной в том смысле, что гигроскопическое осушение воздуха древесиной такой влажности возможно лишь при малых удельных величинах поддач. Тем не менее, это не будет означать, что древесина не сможет увлажниться выше уровня максимальной равновесной влажности. Если температура потолка ниже температуры пара (точки росы влажного воздуха), то конденсат будет выделяться на поверхность пористого материала в виде капелек росы, а затем впитываться в пористый материал (как в «промокашку»), увлажняя его вплоть до 100–200 %-ной относительной влажности. Поэтому приведённое на рисунке 60 повышение относительной влажности древесины при 100 °C до 24 % не является ошибкой, также как последующее снижение относительной влажности древесины при выдержке при 100 °C.
Выбранный для рисунка 60 начальный уровень температуры потолка 0 °C, конечно, является слишком низким для бань: он был выбран произвольно лишь с целью показать, что пар может прогреть даже холодное помещение. Типичная исходная температура потолка на уровне (40–60)°С требует для обеспечения образования «лёгкого пара» исходной относительной влажности потолка (4–8)%. Это может быть обеспечено специальным высушиванием потолка перед процедурой, например, лучистым теплом от очага как в чёрной бане или длительной выдержкой при температуре 60 °C с вентиляцией внешним воздухом (который, как правило, имеет абсолютную влажность не более 0,01-0,02 кг/м3). Вместе с тем, начальная сухость деревянного потолка вовсе не гарантирует получение сухого воздуха при реальных поддачах. Дело в том, что не весь пар попадает на потолок. Кроме того, конденсация паров происходит на быстроувлажняемых поверхностных слоях древесины, а затем влага должна каким-то образом равномерно распределиться по всему объёму древесины. Поэтому поверхностные слои увлажняются быстро, что приводит к быстрой потере древесиной свойств гигроскопичности. Аналогичная ситуация возникает и с температурными характеристиками: поверхность потолка перегревается и теряет способность конденсировать пары воды.
Всё это свидетельствует о том, что помимо сухости потолка должны соблюдаться многие другие условия эффективной работы потолка. Во-первых, желательно иметь развитую поверхность контакта древесины потолка с воздухом: древесина должна быть растрескавшейся или иметь щели, углубления, разрезы искусственного происхождения. Во-вторых, желательно, чтобы древесина хорошо смачивалась водой для быстрого распространения и распределения влаги, для чего необходима обработка древесины гидрофильными поверхностно-активными веществами и исключался бы контакт с гидрофобными (водоотталкивающими) составами. В-третьих, потолок должен быть высокотеплопроводным, например, армирован металлическими элементами (в частности, гвоздями). В-чет-вёртых, несмотря на высокую теплопроводность древесины, сами деревянные потолки должны быть теплоизолированными от внешней среды. В-пятых, процесс поддач должен быть нетороплив и растянут во времени настолько, чтобы температурно-влажностные распределения успевали бы выровняться и в воздухе, и в древесине. В-шестых, потолок должен быть массивным настолько, чтобы заметно не увлажнялся и не перегревался при применяемых величинах поддач. Так деревянный потолок массой 100 кг из брёвен или толстых досок во всяком случае не потеряет своих сорбирующих (поглотительных) свойств при поддачах до 2–3 литров воды. Лёгкие потолки из евровагонки массой 20 кг могут потерять свои сорбирующие свойства уже при поддачах порядка полулитра воды. Потолок в виде простыни с типичной массой, к примеру, полкилограмма даже при поддаче всего 40 граммов воды нагреется от 0 °C до 100 °C и превратит баню в паровую сауну, в которой жарко, но париться веником нельзя, поскольку пара хватит лишь на 2–3 взмаха веника.
