Методика ускоренного расчета желаемых параметров метеообстановки парной русской паровой бани

03 мая

Просмотров: 281

178_05_07_2011matematikaВ этой статье будет рассказано и показано как можно относительно быстро и легко узнать, что нужно сделать в парной, чтобы получить нужную метеообстановку с требуемыми температурно-влажностными режимами, характерными для русской паровой бани.

Будет приведена методика определения последовательности действий, ведущая к получению нужных результатов, базирующаяся на проведенных расчетах на основании показаний всего лишь двух спиртовых термометров, колба со спиртом одного из которых смачивается водой («влажного» термометра).

В одной из ранее опубликованных на этом блоге статей («Что такое — «легкий пар» и как его получить в парной русской бани?») была предпринята попытка дать объяснение такого понятия как «легкий пар», а также увязать данное понятие с конкретными режимами метеообстановки парной (температурой, влажностью и теплосодержанием находящегося в ней воздуха).

Причем было предложено различать воздействие «легкого пара» на кожу и дыхательные пути человека во время его нахождения в парной на этапе предварительного прогрева и обильного потоотделения, от  воздействия «легкого пара» на эти же органы человека, но характерного для режима парения вениками.

Помимо этого была предпринята попытка разработки методики расчета характеристик каменки, способной создать в парной режимы «легкого пара» («Способ расчета параметров каменки в парной русской бани, позволяющей получить режимы «легкого пара»»).

Также для лучшего понимания того, о чем будет говориться в настоящей статье, рекомендую ознакомиться со статьями «Какая она – русская баня?»: Часть 2 и Часть 3, в которых рассматривались измерения температуры воздуха в бане по показаниям «сухого» и «влажного» термометров, а также сопоставлялись субъективные ощущения находящегося в парной человека с показаниями данных термометров.

Приведенные в вышеуказанных статьях расчеты метеообстановки в парной и характеристик каменки, позволяющих получить режимы «легкого пара», являются весьма громоздкими и без применения специальных вычислительных средств (специальных программ) трудно реализуемые на практике.

Возникает риторический вопрос: «Что же делать, как же быть»?

И вот, как мне кажется, нашелся способ решить эту задачу, требующий минимальных затрат как физических, так и умственных сил. 🙂

В свое время на Форуме «РусБани» Игорем Васильевым была дана ССЫЛКАгде можно было скачать специальную программу-калькулятор, позволяющую буквально в 2 клика получить значения основных термодинамических параметров, характеризующих метеообстановку парной, а именно: теплосодержание (энтальпию) воздуха (I, кДж/кг), температуру воздуха по «сухому» с,0С) и «влажному» в,0С) термометрам, влагосодержание воздуха (d, г/кг с.в.), относительную влажность воздуха (φ,%) и точку росы р,0С).

Программа носит название Air007AirParameters.

Указанная ССЫЛКА является рабочей и в настоящий момент.  

Оперируя данной программой и задавая в ней значения любых 2-х метеопараметров (характерных, в том числе, и для парной русской бани), можно моментально получать значения остальных 4-х метеопараметров климатической обстановки.

Это существенно облегчает нам определится в выборе методов и путей получения в парной тех режимов, которые нам нужны в данный момент.

Продемонстрируем на примере как можно использовать данную программу-калькулятор для наших нужд.

Напомню, что ранее мы определили комбинацию метеопараметров для режимов прогрева и напаривания вениками, соответствующими получению в парной «легкого пара» (см.Табл.3 ЗДЕСЬ).

Такой комбинацией для режима прогрева и потения человека в парной является следующее сочетание метеопараметров:

  • температура воздуха, определяемая по «сухому» термометру, Тс = 45-60,ºС;
  • температура воздуха, определяемая по «влажному» термометру, Твл= 37,5-43,5ºС;
  • теплосодержание воздуха I=145-172 кДж/кг;
  • абсолютная влажность воздуха а=3750 г/м³;
  • относительная влажность воздуха φ=3075%.

 

Для  так называемого «мягкого» режима напаривания вениками сочетание метеопараметров будет следующим:

  • температура воздуха, определяемая по «сухому» термометру, Тс = 45-60,ºС;
  • температура воздуха, определяемая по «влажному» термометру, Твл= 4150ºС;
  • теплосодержание воздуха I=172-270 кДж/кг;
  • абсолютная влажность воздуха а=5174 г/м³;
  • относительная влажность воздуха φ=41100 %.

 

Для режима напаривания вениками «русские традиции» сочетание этих же метеопараметров будет уже следующим:

  • температура воздуха, определяемая по «сухому» термометру, Тс = 55-60,ºС;
  • температура воздуха, определяемая по «влажному» термометру, Твл= 5055ºС;
  • теплосодержание воздуха I=270350 кДж/кг;
  • абсолютная влажность воздуха а=74104 г/м³;
  • относительная влажность воздуха φ=56100%.

 

Теперь, имея перед глазами эти указывающие нам нужное направление величины, покажем, как используя программу  Air007AirParameters, можно относительно легко и быстро рассчитать нужные нам величины, чтобы понять, какие действия нужно предпринять в парной, чтобы ее метеопараметры оказались в одном из указанных выше диапазонов.

Соответственно, добившись этого, можно допустить, что при этом нашу парную осчастливит своим появлением такой желанный гость имя которому «Легкий пар». 🙂

Итак…

Запустив программу Air007AirParameters, мы можем наблюдать следующую картину (Рис.1):

ScreenShot01

Рис.1

Вставив в 2 каких-либо поля соответствующие величины параметров метеообстановки парной, в остальных полях тут же высветятся все остальные параметры.

Например, подставив значения показаний температуры воздуха в парной, измеренные по «сухому» термометру Тс (показатель «Температура, С»), и относительную влажность воздуха φ,% (показатель «Относительная влажность, %»), в остальных полях калькулятора тут же высветятся значения метеопараметров, соответствующих данной паре значений «Температура — относительная влажность воздуха».

ScreenShot02

Рис.2

В нашем случае, с моей точки зрения, для расчетов лучше использовать пару параметров: «Температура «сухого» термометра Тс (Температурс, С) – Температура «влажного» термометра Тв (Температура мокрого термометра, С)».

Возникает закономерный вопрос: «Почему для измерений следует воспользоваться именно такими термометрами, а не, например, термометром и/или гигрометром/психрометром (приборами для измерения относительной влажности воздуха)?»

Объяснение этому следующее.

Как правило, точность бытовых гигрометров (механических, цифровых), которые можно встретить в продаже, весьма низкая. К тому же, данные приборы отличаются весьма большой инерционностью в воспроизведении показателя относительной влажности воздуха. К тому же, как правило, большинство из них (включая и психрометрические гигрометры типа ВИТ-1, ВИТ-2) не предназначено для использования в таких климатических условиях (при температурах воздуха выше 400С и абсолютных влажностях воздуха выше 40 г/м3), которые наблюдаются в парных русских бань.

Самым оптимальным выходом из данной ситуации является самостоятельное изготовление психрометра, состоящего из двух спиртовых термометров и позволяющих измерять температуры до 100ºС.

Из этой пары термометров следует самостоятельно изготовить прибор, состоящий из «сухого» и «влажного» термометров, закрепленных на одном основании (подобно психрометрам типа ВИТ).

Колбу с крашеным спиртом одного из них («влажного» термометра) нужно будет обернуть смачиваемую водой марлей.

Важное замечание! Колба с крашеным спиртом «влажного» термометра, обернутая фитилем из марли и смачиваемая водой из специальной емкости, не должна экранироваться. Другими словами,  колба со спиртом этого термометра не должна заслоняться какими-то ни было непрозрачными экранами (деревом, пластмассой, металлом и пр.). Должно быть соблюдено условие беспрепятственного доступа к данной колбе теплового излучения, исходящего от всех нагретых элементов парной (печи, потолка, стен, полков, пола).

В качестве таких термометров могут, например, быть использованы термометры жидкостные стеклянные прямые и угловые марки ТТЖ-М/ТТЖ-У (Рис.3).

140_0-2

Рис.3

В дальнейшем при изложении методики ускоренного расчета желаемых параметров метеообстановки парной русской бани мы будем в качестве 2-х начальных, необходимых для вычислений параметров, использовать показатели «сухого» и «влажного» термометров.

Объяснение тому, почему в качестве одного из этих 2-х начальных параметров целесообразно использовать показания «влажного» термометра, можно найти, заглянув СЮДА и СЮДА.

А мы продолжим нашу основную тему.

Итак, мы определились, что в качестве начальных параметров, которыми будем пользоваться для расчета остальных параметров, будут выступать показатели «сухого» Тс и «влажного» Тв термометров.

Примечание. При снятии показаний «влажного» термометра, колба со спиртом которого обернута смачиваемой водой марлей, необходимо обеспечить обдув наконечника этого термометра воздушным потоком со скоростью V~0,5 м/с.  Для этого можно перед снятием показания температуры «влажного» термометра снять со стенки данный термометр и сделать несколько (5-6) поступательно-возвратных движения рукой, в которой находится «влажный» термометр (например, перемещать руку из стороны в сторону на расстояние 0,5 м за промежутки времени, равные 1 сек).

Допустим, мы первый раз вошли в парную для начального прогрева и потения. И тут нам показалось, что немного следовало бы поднять в ней температуру воздуха, но поднять на столько и  таким образом, чтобы было комфортно находиться в парной и при этом легко бы дышалось.

На старте «сухой» термометр показывает Тс = 450С, а «влажный» термометр Тв = 410С.

Подставив эти значения в нашу программу-калькулятор увидим следующую картину: теплосодержание воздуха в парной (энтальпия) I=174,5 кДж/кг, влагосодержание d=50,1 г/кг с.в. (50 г паров воды, приходящихся на 1 кг сухого воздуха – воздуха, не содержащего паров воды, а только азот N (~78%), кислород О2 (~21%) и прочие газы (~1%)), относительную влажность воздуха φ= 78,7% и точку росы для данной концентрации паров воды в воздухе Tр =40,40С (Рис.4).

ScreenShot03

Рис.4

Обратившись к показателям метеообстановки (см. начало этой статьи), при которых приятно находиться в парной на стадии разогрева и потения и при этом легко дышится, мы увидим, что верхними граничными показателями теплосодержания (энтальпии) воздуха в парной будут значения, не превышающие величины I~172 кДж/кг. Однако при этом абсолютная влажность  воздуха в парной должна быть ниже значения а‹50 г/м3.

Напомню, что значение абсолютной влажности  воздуха (а, г/м3) связано с величиной его влагосодержания (грамм воды на 1 кг сухого воздуха d, г/кг с.в.) следующей зависимостью

а=d*353/(273+T), г/м³                                   (1)

где Т=Тс – температура воздуха по «сухому» термометру.

В нашем случае абсолютная влажность воздуха равна: а=50,1*353/(273+45)=55,6 г/м³.

Мы видим, что при данных стартовых условиях, сложившихся в парной на момент нашего захода в нее в первый раз, соответствуют метеопараметрам, при которых выступающий при потении пот не сможет испаряться, так как концентрация паров воды в воздухе парной превышает 50 г/м3. Теплосодержание же воздуха (I=174,48 кДж/кг) уже соответствует не режиму прогрева и потоотделения, а паровому режиму, находящемуся сверху (над) «хомотермальной» кривой (см. ЗДЕСЬ), и по нашей классификации относящемуся к «мягкому» конденсационному режиму (см.Табл.3 ЗДЕСЬ).

При таком режиме невозможно как испарение пота с кожных покровов человека, так и в выдыхаемый им из легких воздух.

Хотя при данном уровне теплового воздействия (I~170-175 кДж/кг) воздуха на тело человека последний и может находится в парной не менее получаса, однако повышенная концентрация паров воды в воздухе, превышающая значение 50 г/м3, не даст ощущения «легкости» дыхания.  И вот почему.

Выдыхаемый из легких человеком воздух является полностью влагонасыщенным, т.е. таким, который не может вобрать в себя при данной температуре дополнительное количество находящихся в воздухе паров воды (тем более, если их концентрация превышает концентрацию паров воды в выдыхаемом воздухе).

Другими словами, относительная влажность выдыхаемого легкими человека воздуха составляет φ=100%, а абсолютная влажность не может превышать — а=50 г/м3. Если воздух будет содержать водяных паров более 50 г/м3, в этом случае вся лишняя влага будет конденсироваться в легких. В этих условиях неизбежно чуть раньше, или чуть позже наступит ощущение удушия (кислородного голодания), так как ольвеолы легких не только утратят способность потреблять кислород воздуха, но и в свою очередь начнут заполняться водой.

Нам же необходимо добиться в парной таких условий, когда на этапе предварительного прогрева тела и всего организма в целом было бы комфортно находиться в парной как можно долше (не менее получаса, а, возможно, и дольше). При этом можно было бы также комфортно дышать, т.е. вдыхаемый воздух воспринимался бы легкими как свежий, наполненный кислородом. Воздух парной на этапе прогрева должен иметь возможность поглощать в себе выдыхаемую человеком влагу (пары воды), т.е. быть влагоненасыщенным  (характеризоваться относительной влажностью φ‹100% и иметь абсолютную влажность не более а‹50 г/м3).

Воздух, отвечающий таким требованиям, можно было бы условно назвать «легким паром» как по отношению к кожным покровам человека, так и по отношению к его легким.  

В нашем же случае в воздухе парной уже находятся пары воды в концентрации а=55,6 г/м3.

Следовательно, для того чтобы дышалось легко, необходимо снизить абсолютную влажность воздуха в парной и привести ее к значениям а‹50 г/м3.

Также при понижении влажности воздуха, желательно сохранить на прежнем уровне его теплосодержание. Помним, что для режима длительного прогрева и потения желательно удержаться в диапазоне теплосодержания воздуха, равном I=145-172 кДж/кг.

Спрашивается, как нужно поступить в данной ситуации?

Мне видится следующий выход.

Вначале необходимо проветрить парную свежим уличным воздухом, снизив в ней влагосодержание. При этом мы неизбежно снизим в ней и температуру. Но при этом абсолютная влажность воздуха в ней будет уже ниже а=50 г/м3 (относительная влажность φ‹100%).

Затем, нам надо будет лишь испарить на каменке определенную порцию воды, чтобы восстановить прежние температурные показатели в парной и придать воздуху такую влажность, когда он будет восприниматься носоглоткой как свежий, а, следовательно, дышаться будет легко. При этом по мере нагрева и потения человека, выделившийся пот будет испаряться, тем самым охлаждая нагревающийся организм. Таким образом, и по отношению к коже человека, и по отношению к его легким такой влажный воздух может быть  назван «легким паром".

А теперь покажем это как это сделать практически, опираясь на конкретные цифры.

Пусть в результате проветривания в парную попадет воздух с более низкой температурой и влажностью. Допустим, у нас на улице Т = 100С. Тогда такой воздух по определению не может содержать в себе в газообразном состоянии более  7,6 г/м3 паров воды (точка росы Тр = 100С). Также допустим, что относительная влажность такого воздуха составляет φ=50% (например, относительную влажность наружного воздуха мы определили с помощью обычного механического бытового гигрометра, вывешенного на улице). Тогда абсолютная влажность такого воздуха будет — а=3,8 г/м3.

Возвращаемся к нашему калькулятору Air007AirParameters.

Теперь нам нужно в нем подобрать такую комбинацию параметров (Tc,С; d г/кг с.в.), при которых бы температура по «влажному» термометру не превысила бы значения Tв=38-390С, теплосодержание (энтальпия) воздуха оказалась бы в диапазоне значений I=145-172 кДж/кг, и относительная влажность воздуха была бы φ‹60%.

Температуры «влажного» термометра Tв=38-390С соответствуют наиболее комфортным режимам прогрева человека в парной. При этом человек с мокрой кожей не будет ощущать холода (см. Хошев Ю.М. Теория бань.М.,2006).

Располагая параметром влагосодержания воздуха d,г/кг с.в. (а, следовательно, зная его абсолютную влажность а, г/м3 (см.формулу 1)), мы найдем требуемое количество воды, которое требуется испарить в парной заданного объема, чтобы привести ее метеопараметры к нужным нам значениям, присущим режиму прогрева и потения.

Ниже на Рис.5 показана одна из возможных комбинаций таких параметров:

ScreenShot04

Рис.5

Если у человека на момент входа в парную кожа будет сухая, то он будет ощущать тепло воздуха с температурой Tс=550С. Если же человек зашел в парную с мокрым (но не потным) телом (например, после душа), то воздух в парной им будет воспринят таким, будто он нагрет не до температуры 550С, а только до температуры 38-390С.

Абсолютная влажность воздуха, которую мы должны будем создать в парной, будет равна: а=40*353/(273+55)=43 г/м³.

Следовательно, на каменке для парной объемом V=10 м3 нужно будет испарить (43-3,8)*10= 392 г воды.

При этом мы получим теплосодержание воздуха I=159 кДж/кг и относительную влажность воздуха φ=38,8%. «Сухой» термометр покажет температуру воздуха в парной равную  Тс = 550С, на «влажном» термометре будет показана температура  Тв = 390С, а точкой росы для данной концентрации влаги в воздухе будет значение температуры равное Tр=36,50С.

Другими словами, на всех предметах парной, имеющих температуру Т≤36,50С, будет конденсироваться влага из воздуха.

Испарив на каменке рассчитанный объем воды, дождемся пока «сухой» и «влажный» термометры покажут значения Тс = 550С и Тв = 390С, после чего «загружаемся» в парную.

Все, процесс пошел... 🙂

На этом прервемся.

Продолжим наши расчеты для режимов парения уже в следующий раз.

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