Что такое — «легкий пар» и как его получить в парной русской бани?

19 Ноя

Просмотров: 2 660

0_1d1b9_6b9beb1a_LПо поводу понятия «легкий пар», а также способов создания в парной соответствующих ему метеорежимов, в среде любителей бани давно и упорно точатся споры. В настоящей статье мы лишь вскользь коснемся некоторых из существующих подходов в данном вопросе, заслуживающих, с моей точки зрения, внимания. Понятие «легкого пара» будет рассмотрено с позиций «легкости»  его восприятия органами дыхания и кожей человека во время приема банных процедур. Чувственному восприятию человеком климатической обстановки парной мы постараемся поставить в соответствие абсолютные величины температуры, влажности и теплосодержания воздуха, которые будут соответствовать режимам «легкого пара».

Итак, начнем.

Перед тем как дать определение «легкого пара», широко распространенного среди любителей русской бани, давайте сначала определимся с самим понятием «пар» его видами, а также с понятиями «сухого» и «влажного» воздуха.

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Пар – это вода Н2О, находящаяся в газообразном состоянии.

Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения. Между данными процессами существует принципиальное различие. Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости. Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Различают следующие состояния водяного пара:

  • сухой насыщенный пар;
  • перегретый пар;
  • влажный пар.

 

Водяной пар, находящийся в динамическом равновесии с водой в жидком состоянии, называется насыщенным паром. При динамическом равновесии количество вылетающих из находящейся в жидкой фазе воды молекул в окружающую среду равно количеству молекул обратно влетающих из этой среды в воду.

Сухой насыщенный пар – пар, не содержащий воды в виде жидкости и имеющий температуру кипения Тн при данном давлении Pп. Индекс “н” при температуре обозначает насыщение (или кипение). Индекс “п” при давлении обозначает давление насыщенного водяного пара.

Перегретый пар – пар, температура которого превышает температуру испарения (кипения, насыщения) (Т>Тн) при данном давлении Р.

Влажный пар – насыщенный пар, содержащий в себе воду в виде взвешенных мелкодисперсных частиц (аэрозоля или тумана).

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров.  Напомним, что воздух по объему состоит из: азота N ~ 78%, кислорода О2 ~ 21%, аргона Ar ~ 0,9%, углекислого газа CO2 ~ 0,03%, неона Ne, метана CH4, гелия He, криптона Kr, водорода Н2 и ксенона Xe суммарно < 1%.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

Атмосферный воздух всегда влажный и с учетом рассмотренных состояний водяного пара может быть:

  • пересыщенный влажный воздух;
  • насыщенный влажный воздух;
  • ненасыщенный влажный воздух.

 

Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.
Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

В условиях парной русской бани возможно получение всех перечисленных видов влажного воздуха.

Количество содержащихся паров воды в газообразном состоянии в единице воздушного объема зависит от температуры воздуха и атмосферного давления. С повышением температуры способность воздуха удерживать воду в газообразном состоянии резко увеличивается. На Рис.1 показана зависимость максимально возможной концентрации паров воды в воздухе, находящихся в газообразном состоянии, от температуры воздуха (сплошная кривая). Эта зависимость получила название зависимости плотности насыщенного пара d=dн=d0 кг/м³ от температуры воздуха T,ºC. На этом же рисунке пунктирной кривой изображена зависимость давления насыщенного водяного пара р=рн0 атм (Па) от температуры воздуха T,ºC.

 

Плотность насыщенного пара от температурыРис.1

На рис. 1 точкой на сплошной кривой отмечено максимальное количество водяных паров, которое еще может быть удержано в газообразном состоянии 1м³ воздуха при температуре 40ºС (условная температура, близкая к температуре человеческого тела). Эта величина равна 0,05 кг/м³ или 50 г/м³.

Вообще то, количество водяных паров, которое находится в 1 м³ воздуха при заданной температуре (максимальная плотность пара или абсолютная влажность d), может быть определено по формуле:

d= р п *1000/(R п * (273+Т)), кг/м³                                                                                   (1)

где р п – парциальное давление водяного пара, Па; R п = 461,52 – газовая постоянная водяного пара, Дж/(кг*К); Т – температура,ºС.

Парциальное давление водяного пара р п  изменяется с изменением температуры. Причем для каждого значения температуры Т существует максимально возможное значение давления водяного пара р=рн0, которое получило название давления насыщенного водяного пара.

Величины р п и рн  связаны между собой зависимостью:

р п = φ * рн,                                                                                                                          (2)

 где φ – относительная влажность воздуха, %.

Значения парциального давления насыщенного водяного пара рн в зависимости от температуры являются табличными данными, но могут быть и рассчитаны по формуле:

рн = exp ((16,57T-115,2)/(233,77-0,997T)), кПа                                                                (3)

где Т – температура,ºС.

Температура Т=Тр=40ºС является точкой росы для воздуха, содержащего 50 г паров воды  в каждом своем кубическом метре. Другими словами, воздух, содержащий это количество паров воды при этой температуре, становится насыщенным. При этой температуре разрозненные молекулы воды начинают объединяться в капли.  Невидимый глазу пар становится видимым сначала в виде тумана (аэрозолей с размером капель  воды до 100 мкм), а затем и в виде росы (капель воды более крупного размера).

По сути, зависимость d0=f (T) представляет собой зависимость точек росы воздуха для различных концентраций водяного пара. Вспомним, что точкой росы называется температура ТрºС, при которой выпадает конденсат из воздуха заданной влажности d0 г/м³.

В области значений (d,T), находящейся слева от кривой d0=f (T), вода может находиться в воздухе только в жидком каплеобразном состоянии, а влажный воздух является пересыщенным. В области значений (d,T), находящейся справа от кривой d0=f (T), вода находится в воздухе в газообразном состоянии, а влажный воздух является ненасыщенным. Влажный воздух, характеризуемый значениями (d,T), находящимися на кривой d0=f (T), является насыщенным.

 Значения максимальных концентраций газообразных паров воды в воздухе d0 для различных температур Т (зависимость d0=f (T), см.Рис.1) приведены в табл.1.

Таблица 1

Температура воздуха Т, ºС   0 20 30 37 40 45 50 55 60 65 70 75 80 90 100
Плотность насыщенного пара d0, г/м³ 4,9 17,3 30,4 43,9 51,2 65,4 82,8 104,0 129,5 160,1 196,4 239,3 289,7 417,3 588,5

 

Приступим к рассмотрению понятия «легкого пара».

Вдыхаемый влажный воздух заданной температуры, содержащий некоторое количество водяного пара, может по-разному восприниматься человеком. В одном случае дышится легко и хочется вдыхать воздух полной грудью. В другом случае вдыхаемый воздух вызывает раздражение дыхательных путей (носоглотку, трахеи, бронхи) и заставляет делать вдохи неглубокими. В одном случае влажный воздух сушит и обжигает кожные покровы человека, а в другом случае человек чувствует влажное мягкое обволакивающее тепло.

Испаряя на каменке воду, мы переводим ее в газообразное состояние и повышаем не только влажность, а также температуру и теплосодержание воздуха в парной.  Таким образом, состояние влажного воздуха в парной характеризуется тремя термодинамическими параметрами: температурой Т (ºС), влажностью d (г/м³) и теплосодержанием I (кДж/м³).

Под теплосодержанием (энтальпией) влажного воздуха будем понимать количество тепловой энергии, содержащейся в 1м³ объема воздушного пространства парной.

Процесс принятия банных процедур в русской бане слагается из двух основных этапов: этапа глубокого прогрева человеком своего организма до начала обильного потения и этапа парения.

В процессе прогрева человека в определенный момент времени включается механизм биологического внутреннего термостатирования. Данный механизм не позволяет перегреваться внутренним органам человека и поддерживает их температуру на требуемом уровне.

Действие этого биологически заложенного в каждом из нас механизма проявляется в виде потоотделения.

Для испарения пота во внешнюю среду организму требуется затрата определенного количества энергии. И эту энергию организм черпает из того дополнительного тепла, которое он потребил из внешней среды, находясь в ней (например, пребывая в парной).

В процессе парения человек очищает свое тело за счет мытья в горячем конденсате водяных паров, которые осаждаются на его коже при переходе находящегося в воздухе перегретого водяного пара сначала в состояние насыщения, а потом и в жидкую фазу.

И на каждом из этих этапов человек стремится создать для себя такие условия, которые были бы для него наиболее комфортными.

Возникает вопрос: «Так какой же пар считать при этом «легким»»?

Для того чтобы ответить на этот вопрос внесем ясность в то, что мы будем понимать под «легкостью» пара.

Под «легкостью» пара для дыхательных путей человека мы будем понимать такую его концентрацию в воздухе при заданной температуре, при которой вдыхаемый воздух не будет их раздражать, обжигать, пересушивать, либо, наоборот, вызывать образование в них водяного конденсата. К слову, конденсация паров воды в легких вызываеть у человека состояние удушья, что воспринимается им как нехватка кислорода. При вдыхании «легкого пара» человек чувствует лишь мягкий комфортный прогрев носоглотки и легких.

Носоглотка человека всегда находится во влажном состоянии. Выдыхаемый человеком из легких воздух полностью влагонасыщен d=d0 и содержит концентрацию водяных паров около 50 г/м³, что соответствует плотности насыщенного пара d0 при температуре Т=40ºС (~ температура внутренних органов человека).

При вдыхании влажного воздуха с температурой не ниже Т≥40ºС и содержащего водяные пары в концентрации меньше 50 г/м³, в носоглотке не будет происходить процесса конденсации этих паров. Пар в этих условиях является перегретым ненасыщенным. Носоглотка и трахеи будут охлаждаться, так как их слизистая оболочка будет испарять влагу, повышая концентрацию водяных паров в воздухе, находящемся в легких. А как известно, повторюсь опять, процесс испарения влаги сопровождается затратами тепла и неизбежным последующим охлаждением испаряющих поверхностей. Вдыхаемый воздух будет восприниматься как свежий. Дышаться будет легко.

При вдыхании влажного воздуха с температурой порядка Т∼40ºС и с концентрацией водяных паров ∼50 г/м³ воздух будет восприниматься как «влажный». Он не будет ни нагревать, ни охлаждать, ни раздражать дыхательные пути из-за выделения конденсата и будет восприниматься некоторое время как «легкий».  Но со временем, у нагревающегося человека включится в работу механизм термостатирования состояния  внутренних органов. Для недопущения перегрева организма начнется процесс потоотделения. Причем процесс потоотделения начнется не только через кожные покровы, но и через легкие. В этих условиях вдыхаемый воздух с температурой Т≥40ºС и имеющей абсолютную влажность около 50г/м³ не сможет дополнительно вобрать в себя выделяемый легкими пот.  Альвеолы легких заполнятся потом. Поступление кислорода в кровь  из воздуха сократится.  Вдыхаемый влажный воздух со временем начнет восприниматься как «душный» (с недостатком кислорода).

А вот вдыхаемый влажный воздух с температурами выше Т>40ºС и с концентрациями водяного пара более d>50 г/м³ в одних случаях может восприниматься как «легкий», который можно вдыхать без особого раздражения органов дыхания, а в других случаях вдыхаемый воздух будет их сильно раздражать и обжигать. В этих случаях такой воздух, условно, можно назвать «тяжелым» паром.

Само собой разумеется, что при концентрации паров воды во вдыхаемом воздухе превышающих значение 50 г/м³ всегда (чуть раньше, чуть позже) будет наблюдаться их конденсация в дыхательных путях человека. В этих случаях даже «легкий» пар со временем будет приводить к перегреву легких и начнет восприниматься как «тяжелый». К тому же при вдыхании такого воздуха при определенных условиях в легких может наблюдаться конденсация паров воды в виде аэрозоля (мельчайших капелек воды).

И здесь для получения количественных оценок параметров паровоздушной атмосферы парной нам необходимо будет обратиться к комплексному учету всех трех ранее упомянутых ее параметров — температуры, влажности и теплосодержания воздуха.

«Легкость» переносимости влажного воздуха (пара) кожей человека («легкий пар» по отношению к коже), также будет определяться комплексом этих параметров.

Наша задача определиться с областями значений этих параметров, дающих ощущение комфорта и «легкости» находящемуся в парной человеку.

Впервые на важность учета в процессе получения «легкого пара»  такого параметра как теплосодержания (энтальпии) влажного воздуха I, кДж/м³  и его воздействия на человека обратил внимание Виктор Валентинович Маслов – известный своей разработкой так называемой «Русской Бани Маслова».

В серии статей, посвященных «легкому пару», он попытался определиться с областью значений параметров Т, d и I, характерных для режимов «легкого пара» в парной русской бани.  Только в своих расчетах автор предложил пользоваться не значением теплосодержания воздуха I, а прямо пропорциональным ему значением теплового воздействия этого нагретого влажного воздуха на человека в бане J, имеющего размерность кДж/м³. Другими словами, параметр J в интерпретации В.В.Маслова выражал количество тепла, находящегося в 1 м³ влажного воздуха парной.

Напомним, что теплосодержанием (энтальпией) влажного воздуха I называется количество тепла, которое содержится в объеме влажного воздуха, сухая часть которого (не содержащая паров воды) весит 1 кг. Иначе говоря, это количество теплоты, которое необходимо для нагревания от нуля до данной температуры такого количества воздуха, сухая часть которого равна 1 кг.

Однако по ряду причин эта работа не была доведена до своего логического завершения.

В.В.Маслов разработал диаграмму «Режимы русской бани» (см.Рис.2), на которой попытался отобразить область значений параметров Т, d и J, характерных для режимов предварительного прогрева и режима пропарки вениками в процессе принятия банных процедур в классической паровой русской бане.

Но увязки обозначенных на диаграмме областей значений параметров Т, d и J с понятием «легкого пара» не было сделано, вывода, что же такое «легкий» и «тяжелый» пар, не прозвучало, и область параметров Т, d и J, соответствующая режимам «легкого пара», в конечном итоге, не была определена.

 Рис.2

Попробуем восполнить эти «пробелы». Но сначала для облегчения понимания сути данной проблемы разберемся с тем, что же показывает данная диаграмма.

Взглянем на Рис.2.

Здесь показаны зависимости относительной влажности воздуха φ,% от его температуры tºС  при различных значениях абсолютной влажности  воздуха (которая в данном случае обозначена буквой а, г/м³) и уровня теплового воздействия этого воздуха на человека J,кДж/м³.

Кривые, у которых стоят числа 10,30,50,65,80 и 100 г/м³, изображают зависимости φ=f (t) при соответствующих постоянных значениях абсолютной влажности воздуха а=const, г/м³.

Кривая φ=f (t) при а=50 г/м³, выделенная голубым цветом, является «хомотермальной кривой». Понятие «хомотермальной кривой» было введено в оборот Ю.М.Хошевым. Ее физический смысл ранее уже рассматривался нами в статье «Какая она – русская баня?» Часть 3.

Кривые, у которых стоят числа 8,24,48,80,130,200,350 кДж/м³ изображают зависимости относительной влажности воздуха от его температуры φ=f (t) при соответствующих значениях уровня теплового воздействия влажного воздуха на человека при J=const, кДж/м³.

Точкой отсчета теплового воздействия влажного воздуха на человека в бане автором была взята температура тела человека, равная 37ºС. Максимально возможная абсолютная влажность воздуха при этой температуре составляет 43,9 г/м³ (см.Табл.1 выше).

Числа 40, 42, 45, 50, 54 сверху Диаграммы обозначают точки росы tр,ºС для влажного воздуха с абсолютной влажностью а, равной 50, 55, 65, 80, 100 г/м³, соответственно.

Из Диаграммы видно, что при какой-либо заданной температуре (например, t=53ºС=const) величина теплового воздействия на человека зависит от величины абсолютного количества водяных паров, находящихся в воздухе. Для нашего примера воздух с абсолютной влажностью а=50г/м³ будет оказывать на человека тепловое воздействие в размере 48 кДж. Но, испарив в кубометре воздуха дополнительно 30 г воды (а=80 г/м³), мы получим тепловое воздействие уже в размере 150 кДж.

Или же, задаваясь каким-либо значением параметров t,ºС, φ,%, и нанеся их на Диаграмму, можно определить соответствующие им значения параметров а,г/м³ и J,кДж/м³.

Что нам дают изолинии J=const, кДж/м³ в сетке координат φ=f (t). Изолинии J=const, кДж/м³, названные В.Масловым изожарами, показывают, что одно и то же тепловое воздействие нагретого влажного воздуха на человека можно получить при разной температуре  этого воздуха. Но получаемые ощущения будут различными. И зависеть они будут от количества содержащейся в воздухе влаги.

Так, условно, передвигаясь вдоль какой-либо изожары (например,  J=80, кДж/м³), человек будет испытывать одинаковый уровень теплового воздействия на свою кожу и при t=83ºC и при t=45ºC. Только в одном из этих случаев это будет суховоздушная сауна, а в другом случае — влажная парилка с относительной влажностью воздуха φ=100% (хаммам).

В одном случае человек будет вдыхать полностью насыщенный парами воды воздух. Концентрация газообразной воды в воздухе при этом будет составлять величину порядка 65 г/м³. Носоглотка будет увлажняться, с образованием конденсата в дыхательном тракте. На коже будет осаждаться конденсат воды с температурой 45ºC. Человек будет воспринимать этот уровень тепла, как будто его опустили в ванну с водой, нагретой до 45ºC.

В другом случае воздух будет сухой (φ=10%, t=83ºC) и будет сушить носоглотку. Кожа также будет оставаться сухой. Хотя выделяемый организмом пот и будет продолжать выделяться, но видим не будет за счет очень быстрого своего испарения. Конденсат же паров воды из воздуха осаждаться на кожу не будет. Абсолютная влажность воздуха в этом случае будет составлять величину порядка 30 г/м³.

Каждый любитель бани может самостоятельно проанализировать какие режимы ему ближе и комфортнее. Мы же постараемся определиться с режимами классической русской паровой бани и увязать их с понятием «легкого пара».

Как уже отмечалось, метеообстановка в бане определяется значениями трех термодинамических параметров: температуры tºC, влажности d (или а),г/м³ и теплосодержания I,кДж/кг воздуха. Лучистую и конвективную составляющие теплопереноса пока не будем учитывать.

В нижеприведенной рассчитанной мною таблице 2 приводятся значения  теплосодержания влажного воздуха I,кДж/кг в зависимости от его температуры Тс,ºC и абсолютной влажности а,г/м³. Причем в соответствие данным величинам теплосодержания воздуха для данной температуры, определяемой по «сухому» термометру, поставлены показания температуры «влажного» термометра  Твл,ºC и соответствующая относительная влажность воздуха φ,%.

Таблица 2

Показания «сухого» термометра Тс,ºС

40

45

50

55

60

Показания «влажного»термометра Твл,ºС

Относительная влажность воздуха φ,%

    Теплосодержание воздуха I,кДж/кг

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

Абсолютная влажность воздуха а, г/м³

10

21,8

20

64

23

15

69

24,5

12

74

26

10

81

27,1

8

86

20

27,9

39

89

29

31

95

30

24

100

31

19

105

31,9

15

110

30

32,8

59

115

33,7

46

120

34,5

36

125

35,6

29

133

36,5

23

139

40

36,8

78

141

37,4

61

145

38,4

48

152

39,1

38

158

40,3

31

168

45

38,3

88

152

39,3

69

159

40

54

165

41

43

173

42

35

182

50

39,9

98

164

40,7

76

171

41,7

60

180

42,5

48

187

43,6

39

197

51

40

100

165

40,8

78

172

41,8

62

181

42,6

49

188

44

40

201

55

42,5

84

187

43,2

66

193

44,3

53

204

44,8

42

209

60

44

92

201

44,7

72

208

45,7

58

219

46,2

46

224

65

45

100

211

46,3

79

225

47

63

233

48

51

245

70

47,6

85

241

48,1

67

246

49

54

258

75

48,8

91

255

49,4

72

263

50,2

58

273

80

49,9

97

269

50,7

77

280

51,4

62

290

83

50

100

270

51,1

79

286

52

64

299

90

52,7

86

310

53,4

69

321

100

54,9

96

346

55,4

77

355

104

55

100

348

56,4

81

374

120

59,7

93

443

130

60

100

45

Продолжение табл.2

Показания «сухого» термометра Тс,ºС

65

70

80

90

100

Показания «влажного» термометра    Твл,ºС                                                 Относительная влажность воздуха     φ,%

                Теплосодержание воздуха I,кДж/кг

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Твл

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

I

 

Абсолютная влажность воздуха

а, г/м³

10

27,9

6

89

29,2

5

96

31

3

105

31,6

2,4

108

35

1,7

129

20

32,8

12

115

34

10

122

36,1

7

136

36,4

4,8

138

39,4

3,4

160

30

37,6

19

147

38,1

15

150

39,7

10

163

40,3

7,2

168

43

5,1

191

40

41

25

173

41,7

20

180

43,6

14

197

43,8

9,6

199

46,2

6,8

224

45

42,6

28

188

43,5

23

196

45,4

16

216

46,4

10,8

227

47,8

7,7

243

50

43,8

31

202

44,8

25

209

46,2

17

224

47,8

12

243

49

8,5

258

51

44,6

32

207

45,3

26

215

47

18

233

48,1

12,3

246

49,3

8,7

262

55

45,6

34

218

46,5

28

228

47,9

19

244

49,1

13,2

259

50,4

9,4

276

60

46,9

37

232

48

31

245

49,4

21

263

49,6

14,4

265

51,6

10,2

293

65

48,6

41

253

49

33

258

50,9

23

283

51

15,7

285

52,9

11,1

313

70

49,3

43

262

50,5

36

278

51,5

24

292

52,1

16,8

301

54

11,9

331

75

50,9

47

283

51,4

38

290

52,9

26

313

54

18

331

55,1

12,8

350

80

52

50

299

52,8

41

311

54,1

28

333

54,4

19,2

338

56,1

13,6

368

83

52,3

51

304

53,1

42

316

54,7

29

343

54,9

19,8

346

56,7

14,1

380

90

54

56

331

54,8

46

245

55,9

31

364

56,5

21,6

376

58,1

15,3

408

100

56

62

366

56,8

51

381

57,6

34

397

58,4

24

414

60

17

450

104

56,9

65

383

57,5

53

395

58,7

36

421

59,2

25

432

60,7

17,7

465

120

59,7

74

443

60,2

61

455

61,2

41

479

62,4

28,8

511

62,9

20,4

524

130

61

80

475

61,8

66

495

63,1

45

530

63,9

31

553

64,3

22

566

150

64

93

556

64,8

76

581

66

52

621

66,8

35,9

649

67,3

25,5

668

161

65

100

614

66,4

82

635

67,6

56

679

68,3

38,6

707

68,8

27,4

727

 

Анализ табл.2 позволяет выделить области значений Т, а и I, характерные для режимов прогрева и напаривания вениками в бане, а также сделать «привязку» параметров «легкого пара» к  термодинамическим показателям воздуха выделенных областей.

Значения Тс,ºС,  Твл,ºС, I,кДж/кг, соответствующие  абсолютной  влажности а∼50-51г/м³ (в табл.2 выделены красным цветом), отражают характеристики  хомотермального режима   (отсутствие процессов испарения и конденсации влаги с/на кожные покровы человека с температурой Т=40ºС при нормальном атмосферном давлении).

Анализ табл.2 показывает:

Во-первых. В хомотермальном режиме (а∼50-51г/м³=const, ) человек испытывает разную тепловую нагрузку I,кДж/кг при разных температурах влажного воздуха Тс,ºС. Этот на первый взгляд неожиданный факт легко объясняется, если мы обратимся к формуле расчета теплосодержания влажного воздуха:

I = cc.в.*T + (r+cв.п.*T)*d, кДж/кг                                                                            (4) 

где cc.в.*Т – теплосодержание сухого воздуха, не содержащего паров воды, кДж/кг;

(r+cв.п.*Т)*d – теплосодержание водяного пара, кДж/кг;

cc.в. = 1,006 – удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/кг*град;

r = 2500 — скрытая теплота испарения воды при температуре 0ºС, кДж/кг;

cc.в. = 1,86 – удельная теплоемкость водяного пара, кДж/кг*град;

d – влагосодержание воздуха, кг/кг. Под влагосодержанием воздуха (не путать с абсолютной влажностью а, г/м³ ) понимается масса водяного пара во влажном воздухе, приходящаяся на 1 кг массы сухой его части.

Располагая значением влагосодержания воздуха d, кг/кг, значение абсолютной влажности воздуха а,г/м³ можно получить, воспользовавшись формулой:

а=d*ρс.в.=d*353/(273+T), кг/м³                                                                                 (5)

где ρс.в удельная плотность 1 м³ сухого воздуха, кг/м³; Т— температура воздуха, ºС.

Из формулы (4) видно, что, во-первых, при постоянстве абсолютного количества паров воды в воздухе (d=const) его теплосодержание (I) растет вместе с подъемом температуры (Т).

Во-вторых. Уровень теплового воздействия воздушной среды на человека в режимах, используемых для предварительного прогрева организма, при которых возможно испарение пота и отсутствует выпадение из воздуха на кожу человека конденсата (область параметров Т и φ под хомотермальной кривой), увеличивается с ростом температуры.

Так, например, если при температуре воздуха Тc=45ºС (показания температуры воздуха, замеренные по «сухому» термоментру), показаниях «влажного» термометра Твл=37,5-40,5ºС и абсолютной влажности воздуха а=51г/м³ (когда раздетому человеку не холодно с влажной кожей) диапазон теплосодержания влажного воздуха I находится в диапазоне 145-170 кДж/кг, то при температуре Тc=65ºС теплосодержание воздуха может достигать 207 кДж/кг, а при Тc=90ºС I=246 кДж/кг (при неизменной концентрации паров воды в воздухе а=51г/м³) (см.Табл.2., ряд, выделенный красным цветом).

В-третьих. Диапазон значений относительной влажности воздуха φ в режимах предварительного прогрева, когда человеку дышится легко (носоглотка не переувлажнена и не пересыхает φ= 40-75%), резко сужается с повышением температуры воздуха.

Так для нашего примера при Тc=45ºС диапазон изменения φ лежит в пределах 60-75%. При Тc=65ºС относительная влажность воздуха φ  в режиме предварительного прогрева, без выпадения на коже росы, уже оказывается ниже вышеуказанного диапазона и находится в интервале значений 18-31%. А при Тc=90ºС диапазон φ еще меньше и составляет всего 5-12%.

В-четвертых. С ростом температуры количество испаренной воды для достижения заданного уровня теплосодержания воздуха уменьшается.

Так, например, если для достижения уровня  теплосодержания воздуха I=270 кДж/кг при температуре Тc=50ºС требуется испарить 80 г воды на каждый кубометр объема парной, то при  температуре воздуха Тc=100ºС требуется испарить уже всего 54 г/м³. Для достижения I=350 кДж/кг при Тc=55ºС требуется испарить 104 г/м³ воды, а при Тc=100ºС - всего 75 г/м³ воды.

В-пятых. Для режимов русской паровой бани с температурой воздуха по сухому термометру до Тc=50ºС не возможно достичь теплосодержания воздуха более I=270 кДж/кг без образования в воздухе аэрозоля воды (конденсации пара, φ≥100%) .

Учитывая эти факты, видоизменим табл.2, перегруппировав ее показатели, и представим в следующем виде (см.Табл.3):

Таблица 3

Температура воздуха по «сухому» термометру

Тс=45,ºС

Тс=50,ºС

Другие термодинамические показатели

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Режим прогрева и потения ниже хомотермальной кривой. Испарение пота присутствует

37,5- 40,5

60-75

145-172

40-50

38-41

45-57

145-180

40-50

Режим прогрева и потения на хомотермальной кривой. Испарение пота отсутствует

40,8

78

172

50-51

41,8

62

180

50-51

Режим парения вениками 1 (конденсационный «мягкий» режим)

41-45

78-100

172-210

51-65

42-50

62-100

180-270

51-80

Режим парения вениками 2 (конденсационный режим — режим «русские традиции»)

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура воздуха по «сухому» термометру

Тс=55,ºС

Другие термодинамические показатели

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Режим прогрева и потения ниже хомотермальной кривой. Испарение пота присутствует

39-42

38-48

155-188

40-50

Режим прогрева и потения на хомотермальной кривой. Испарение пота отсутствует

42,6

49

188

50-51

Режим парения вениками 1 (конденсационный «мягкий» режим)

43-50

49-75

188-270

51-77

Режим парения вениками 2 (конденсационный режим — режим «русские традиции»)

50-55

75-100

270-350

77-104

 

Температура воздуха по «сухому» термометру

Тс=60,ºС

Тс=65,ºС

Другие термодинамические показатели

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Режим прогрева и потения ниже хомотермальной кривой. Испарение пота присутствует

40-43,5

30-39

165-200

37-50

37,5-44,6

18-31

145-207

30-50

Режим прогрева и потения на хомотермальной кривой. Испарение пота отсутствует

44

40

200

50-51

44,6

32

207

50-51

Режим парения вениками 1 (конденсационный «мягкий» режим)

44-50

41-56

200-270

51-74

44,6-50

33-45

207-270

51-72

Режим парения вениками 2 (конденсационный режим — режим «русские традиции»)

50-55

56-75

270-350

74-96

50-55

45-60

270-350

72-92

Режим парения вениками 3 (конденсационный режим — режим «русские герои»)

55-60

75-100

350-450

95-130

55-60

60-75

350-450

92-120

Температура воздуха по «сухому» термометру

Тс=70,ºС

Тс=80,ºС

Другие термодинамические показатели

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Режим прогрева и потения ниже хомотермальной кривой. Испарение пота присутствует

38-45

15-25

150-215

30-50

38,5-47

8-17

150-232

30-50

Режим прогрева и потения на хомотермальной кривой. Испарение пота отсутствует

45,3

26

215

50-51

47

18

233

50-51

Режим парения вениками 1 (конденсационный «мягкий» режим)

45,3-50

26-35

215-270

51-68

47-50

18-22

234-270

51-63

Режим парения вениками 2 (конденсационный режим — режим «русские традиции»)

50-55

35-46

270-350

68-91

50-55

22-29

270-350

63-87

Режим парения вениками 3 (конденсационный режим — режим «русские герои»)

55-60

40-60

350-450

91-116

55-60

28,5-40

350-450

87-108

Температура воздуха по «сухому» термометру

Тс=90,ºС

Тс=100,ºС

Другие термодинамические показатели

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Твл,

ºС

φ,

%

I,

кДж/кг

а,

г/м³

Режим прогрева и потения ниже хомотермальной кривой. Испарение пота присутствует

39-48

5-12

165-245

25-50

39,4-49

3,4-8,6

160-260

20-50

Режим прогрева и потения на хомотермальной кривой. Испарение пота отсутствует

48,1

12,3

246

50-51

49,3

8,7

261,5

50-51

Режим парения вениками 1 (конденсационный «мягкий» режим)

48,1-50

12,3-14,5

246-270

51-61

49,3-50

8,7-9,1

262-270

51-54

Режим парения вениками 2 (конденсационный режим — режим «русские традиции»)

50-55

14,5-20

270-350

61-84

50-55

9,1-13

270-350

54-75

Режим парения вениками 3 (конденсационный режим — режим «русские герои»)

55-60

20-25

350-450

84-104

55-60

12,8-17

350-450

75-100

 

В табл.3 условно выделены 5 поддиапазонов всех встречающихся в различных банях температурно-влажностных режимов.

Тепловые режимы, характерные для семейных классических русских паровых бань, выделены в табл.3 красным цветом.

В первый поддиапазон включены термодинамические параметры банной метеообстановки (температура, абсолютная влажность воздуха и его теплосодержание), находящиеся ниже хомотермальной кривой. При этих параметрах человек прогревается, потеет и с него испаряется пот. Человеку не холодно со смоченной кожей.

Во второй поддиапазон  включены термодинамические параметры банной метеообстановки, находящиеся на хомотермальной кривой. При этих параметрах человек прогревается, потеет, но пот с него не испаряется. На человеке не происходит и конденсации влаги, находящейся в воздухе.

В третий-пятый поддиапазоны включены термодинамические параметры банной метеообстановки, находящиеся над хомотермальной кривой. При этих параметрах человек прогревается, потеет, но пот с него не испаряется. На человеке происходит выпадение конденсата из воздуха. Другими словами, купание человека происходит в пару.

Температурно-влажностные режимы третьего-пятого поддиапазонов, характеризуются содержанием паров воды в воздухе с концентрациями выше 50-51 г/м³. В этих условиях на человеке с температурой кожи Т>40ºС в условиях бани будет выпадать  горячая роса (образовываться конденсат). Все эти режимы для паровой русской бани, условно, можно разделить на три группы: с условно «мягким» режимом парения вениками с температурами по «влажному» термометру Твл до 50ºС и на режимы парения (назовем их, условно, режимы «русские традиции» и режимы «русские герои») с температурами по «влажному» термометру Твл= 50-55ºС и Твл= 55-60ºС, соответственно. Напомню, что терминология режимов «русских традиций» и режимов «русские герои» была введена в обиход Ляховым В.Н. (http://gornilo.ru).

Режимы «русские традиции» и «русские герои» отличаются от «мягких» режимов абсолютными величинами теплового содержания влажного воздуха I, абсолютными величинами  содержащейся в воздухе влаги а и, как следствие, его относительной влажности φ.

Так «мягкие» режимы парения характеризуются теплосодержанием воздуха, не превышающие 270 кДж/кг, а в режимах «русские традиции» и «русские герои» влажный воздух имеет теплосодержание до 350 кДж/кг и до 450 кДж/кг, соответственно.

В табл. 3 представлены показания «влажного» термометра ТвлºС, соответствующие всем этим режимам. В теме «Какая она – русская баня?» Часть2 и Часть 3 говорилось о связи тактильных ощущений человека в бане с показаниями температуры по «влажному» термометру. Свои ощущения метеообстановки в бане человек может сопоставлять именно с показаниями «влажного» термометра.

Располагая показаниями «сухого» и «влажного» термометров и имея под рукой вышеприведенную табл.3, можно легко определить остальные три параметра: абсолютную, относительную влажность и теплосодержание воздуха, а также понять в каком из банных режимов ты находишься.

Как видно, комфортно греться и дышать в режиме предварительного прогрева можно при температурах воздуха Тс не превышающих 60ºС (температурах по «влажному» термометру Твл= 40-43ºС) при теплосодержании воздуха I=165-200  кДж/кг, абсолютной влажности а=40-50 г/м³, относительной влажности φ=30-65%).

В этих режимах человеку не холодно с влажной кожей. Выделяемый пот увлажняет кожу и испаряется. Кожа не пересыхает. Еще не происходит конденсации влаги в дыхательном тракте. Носоглотка еще справляется с поступающей в нос влагой и осушает вдыхаемый воздух. А выделяемый легкими пот еще повышает абсолютную влажность вдыхаемого и находящегося в легких воздуха  и понижает температуру нагревающегося организма человека.

Время переносимости подобных метеопараметров разными людьми может составлять до получаса.

Водяной пар, находящейся в воздухе в этих условиях, можно считать «легким паром» как по отношению к дыхательным органам человека, так и к его коже.

При этом, мы понимаем, что пар находится в воздухе исключительно в газообразном состоянии и полностью исключается наличие в воздухе капельно-жидкой фракции воды.

С повышением абсолютной влажности воздуха выше хомотермальной величины 50 г/м³ мы неизбежно попадаем в область конденсационных режимов. В области значений абсолютной влажности воздуха от 50 до 130 г/м³ в зависимости  от температуры воздуха Тс (когда температуры по «влажному» термометру Твл  находится в диапазоне значений 50-60ºС) могут быть реализованы различные режимы для парения, отличающиеся друг от друга уровнем теплосодержания воздуха I.

Если при показаниях «сухого» термометра Тс, не превышающих значение 60ºС, показания «влажного» термометра будут находиться в диапазоне значений 43-50ºС, тем самым в парной будут созданы условия условно «мягких» режимов для парения, когда теплосодержание влажного воздуха не будет превышать 270 кДж/кг, абсолютная влажность не превысит 80 г/м³, а относительная влажность  будет находиться в диапазоне значений 56-100%.

Ясно, что в этих условиях конденсируемый на коже человека пар может восприниматься как «легкий», так как кожа не пересыхает, а увлажняется росой с температурой, не превышающей 50ºС. Теплосодержание воздуха не превышает 270 кДж/кг. Вдыхаемый воздух, не содержащей воды в капельно-жидком состоянии (тумана, аэрозолей), не будет восприниматься как «тяжелый». Такой вдыхаемый воздух можно считать «легким паром». Он не будет сильно обжигать, раздражать и сушить дыхательный тракт человека. На первых порах он будет восприниматься как легкий для дыхания, так как носоглотка сможет осушать и несколько понижать его абсолютную влажность.  Но со временем, конденсация влаги все же будет наблюдаться  в легочном тракте. Воздух начнет восприниматься сначала как душный (с недостаточным содержанием кислорода), а затем и как «тяжелый».

К тому же при определенных комбинациях значений Тс, Твл, I, а, φ при вдыхании такого воздуха человеком и смешении его с воздухом легких в легких могут образовываться водные аэрозоли с температурой вдыхаемого воздухаТс. Такие водные аэрозоли будут обжигать легкие. 

Однако надо не забывать, что в режиме парения вениками человек находится в парной относительно непродолжительное время (в зависимости от параметров метеообстановки Тс, Твл, I, а, φ этот промежуток времени для разных людей может составлять от 1 до 8-10 минут). Поэтому говорить о «легкости пара» в этих условиях можно лишь условно.

И все же, при условно «мягких» режимах парения время пребывания человека в этих условиях может колебаться от 5 до 10 минут и пар можно считать «легким».

В режимах парения «русские традиции» в диапазоне значений температур по «сухому» термометру Тс=55-60ºС и по «влажному» термометру Твл= 50-55ºС, теплосодержание влажного воздуха может достигать значений I=270-350 кДж/кг, абсолютная влажность находится в диапазоне значений a=75-104 г/м³. Относительная влажность φ колеблется от 56 до 100%.

Эти режимы более агрессивные по отношению к человеку. Переносимость их как кожей, так и дыхательными органами человека меньше. Время переносимости этих режимов разными людьми не превышает 5 минут. Выпадающий на коже и в дыхательных путях конденсат имеет температуру 55-60ºС. Пусть каждый сам для себя решит, является ли в этих условиях для него пар «легким» или «тяжелым».

Это же самое утверждение относится и для режимов «русские герои». В этих режимах показания температуры воздуха по «сухому» термометру Тс не опускаются ниже 60ºС. Показания «влажного» термометра находятся в диапазоне значений Твл= 55-60ºС. Теплосодержание воздуха равно I=350-450 кДж/кг. Абсолютная влажность воздуха не ниже a=95 г/м³.

Как видно, это суперэкстремальные паровые режимы. Думаю, говорить при этом о «легкости» пара становится бессмысленно.

Итак, подведем черту нашему получившемуся довольно большим экскурсу в проблему «легкого пара» и кратко сформулируем выводы.

Выводы.

Во-первых. «Легким», при определенных температурно-влажностных показателях метеообстановки в бане, может считаться влажный воздух, содержащий пары воды исключительно в газообразном состоянии и концентрациях меньше плотности насыщения воздуха парами при данной температуре.

Во-вторых. Показаниям «легкого пара» должна соответствовать вполне определенная комбинация термодинамических параметров влажного воздуха в бане: температура, определяемая по показаниям «сухого» Тс,ºС и «влажного» Твл,ºС термометров, теплосодержание I, кДж/кг и абсолютная влажность воздуха а, кг/м³.

В-третьих.  Показаниям «легкого пара» в режиме прогрева организма и начала процесса обильного потения соответствуют следующие диапазоны значений основных термодинамических параметров:

— температура воздуха, определяемая по «сухому» термометру, находится в интервале Тс = 45-60,ºС;

— температура воздуха, определяемая по «влажному» термометру, находится в интервале Твл = 37,5-43,5ºС;

— теплосодержание воздуха I=145-172 кДж/кг;

— абсолютная влажность воздуха а=37-50 г/м³;

— относительная влажность воздуха φ=30-75%.

В-четвертых. Условным показаниям «легкого пара» в режиме парения веником («мягкий» режим + режим «русские традиции») соответствуют следующие диапазоны значений основных термодинамических параметров:

— температура воздуха, определяемая по «сухому» термометру, находится в интервале Тс = 45-60,ºС;

— температура воздуха, определяемая по «влажному» термометру, находится в интервале Твл = 41-55,ºС;

— теплосодержание воздуха I=172-350 кДж/кг;

— абсолютная влажность воздуха а=51-96 г/м³;

— относительная влажность воздуха φ=56-100%.

Замечание. Время пребывания в парной, когда пар воспринимается как «легкий», в режиме «мягкий» может составлять до 8-10 мин, а в режиме «русские традиции»  это время, как правило, не превышает 1-3  мин.

В последующих статьях, посвященных данной теме, мы коснемся условий получения «легкого пара» в парной семейной русской бани.

Пока все.

До встречи.

 

 

Другие статьи на эту тему:

 

Теги: , , , , , ,

Добавить комментарий

 
 
 

«Банная печь Игоря Кузнецова БИК 41» 
(3-D модель и 3-D порядовки печи в SketchUp)

 Конфиденциальность гарантирована