Задачи, которые должен решать потолок парной в русской бане

12 Дек

Потолок парной русской бани играет чрезвычайно важную роль в процессе создания требуемых паро-влажностных режимов. От того правильно ли он будет сделан напрямую будет зависеть конечный результат – сможете ли Вы достичь желаемых кондиций для парения.

Кратко напомним, что парная русской бани имеет ряд черт, отличающих ее от какой-либо другой парной (суховоздушной сауны, влажного хаммама, инфракрасной кабины).

В парной русской бани создаются высоковлажные температурные режимы, позволяющие человеку мыться в конденсате паров воды, осаждающихся на его коже как на наиболее холодной поверхности парной.

Данные режимы отличаются повышенным содержанием газообразных паров воды, находящихся в воздухе. Абсолютная влажность воздуха (количество грамм воды, находящееся в 1 кубометре воздуха) в парных русских бань может колебаться от 50 г/м³ до 100-130 г/м³. Это соответствует относительным влажностям воздуха φ, колеблющимся от 100% (при Т=40ºС) до 65% (при Т=70ºС).

Влага, находящаяся в воздухе в подобных концентрациях, осаждаясь (конденсируясь) на человеке во время парения вениками, распаривает кожу и смывает вместе с выделяющимся потом все выводимые из организма «шлаки».

Одним из основных элементов парной, берущих участие для создания таких режимов, является потолок (более точно, правильная конструкция потолка).

В настоящей статье мы рассмотрим работу потолка парной в создании влажностных режимов в парной. Следующая статья будет посвящена организации правильной конструкции потолка парной русской бани.

Итак, начнем.

Отметим такое замечательное свойство дерева как его способность поглощать в своей массе влагу, находящуюся в окружающей его среде, а также отдавать эту влагу обратно, увлажняя прилегающие слои воздуха.

Этим свойством (гигроскопичностью) древесина обладает ввиду наличия внутри себя огромного количества пустот, имеющих вид каналов с очень малым поперечным сечением (диаметром) вплоть до 1 мкм (10^-6м) и даже меньше.

Жидкость в таких каналах ведет себя не так, как в каналах с большим поперечным сечением. За счет действия сил поверхностного натяжения (которые тем больше, чем тоньше канал), вода, контактирующая с поверхностью дерева, втягивается по этим смачивающимся водой каналам вовнутрь древесины.

Происходит это потому, что над поверхностью воды в древесном канале (имеющей вид вогнутого мениска) давление водяных паров (по сути, количество молекул воды, находящееся в воздухе над поверхностью жидкой фазы) меньше, чем над поверхностью капель воды, контактирующих с деревом.

За счет этого перепада давлений компактная вода, находящаяся на поверхности древесины, втягивается по ее капиллярам вовнутрь.

Соответственно, когда воды на поверхности древесины нет, а концентрация газообразной воды в воздухе становится меньше концентрации паров воды в капиллярах, вода из капилляров начинает испаряться, увлажняя близлежащие к древесине слои воздуха и повышая его влажность.

Древесина, если ее не сушить специально при определенных условиях, всегда содержит в себе определенное количество воды.

Когда мы говорим о сухой древесине, высушенной на воздухе, мы подразумеваем, что древесина является воздушно-сухой.

Воздушно-сухая древесина без контакта ее с компактной водой максимально может содержать в своих капиллярах не более 30% (от веса древесины) воды и характеризуется величиной относительной влажности w,% (не путать с относительной влажностью воздуха φ,%).

Относительной влажностью древесины называется отношение веса содержащейся в дереве воды к весу абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах.

Воздушно-сухая влажность древесины определяется не абсолютной влажностью воздуха, а относительной влажностью воздуха при заданной температуре.

Свойство гигроскопичности древесины иллюстрируется широко известными диаграммами равновесной влажности древесины (см. Рис.1).

Рис.1. Зависимость равновесной относительной влажности древесины от абсолютной влажности воздуха при различных температурах: 1-20ºС, 2-30ºС, 3-40ºС, 4-50ºС, 5-60ºС, 6-70ºС, 7-80ºС.

Из этих диаграмм следует, что воздушно-сухая древесина, содержащая в себе определенное количество воды (имеющая определенную относительную влажность w,%) при разной температуре окружающего ее воздуха способна создать у своей поверхности вполне определенную влажность воздуха. Причем, чем выше будет температура воздуха, тем большую абсолютную влажность он приобретет за счет испарения воды деревом.

Например. Атмосферно-сухая древесина с относительной влажностью равной w=12% способна увлажнить за счет испарения влаги из себя близлежащие слои воздуха до следующих значений:

при температуре Т=20ºС до абсолютной влажности d=0,01 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=60%),
при температуре Т=30ºС до абсолютной влажности d=0,017 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=56%),
при температуре Т=40ºС до абсолютной влажности d=0,03 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=60%),
при температуре Т=50ºС до абсолютной влажности d=0,055 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=66%),
при температуре Т=60ºС до абсолютной влажности d=0,09 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=69%),
при температуре Т=70ºС до абсолютной влажности d=0,135 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=68%).

Мы видим, что над поверхностью древесины формируется оптимальная по влажности среда (с нормальной относительной влажностью φ ~ 60-70%).

Из этих же диаграмм следует, что вполне конкретная абсолютная влажность при заданной температуре контактирующего с древесиной воздуха может быть достигнута только при вполне конкретной относительной влажности древесины.

Например, абсолютная влажность воздуха, равная 0,05 кг/м³ (хомотермальный режим в бане), может быть достигнута как при относительной влажности древесины w~30% при температуре воздуха Т=40ºС, так и при относительной влажности древесины w~10% при температуре воздуха Т=50ºС, а также при относительной влажности древесины w~6% при температуре воздуха Т=60ºС.

Из этих диаграмм также следует то, что абсолютные влажности воздуха, характерные для сырого воздуха с относительной влажностью φ~100% при вполне определенной температуре, могут быть достигнуты только путем насыщения деревянного потолка влагой до максимально-возможных равновесных значений его относительной влажности w~30%.

Другими словами, не насытив деревянный потолок влагой до максимально возможного значения воздушно-сухой древесины, нельзя получить у поверхности этого потолка воздух с относительной влажностью, равной φ~100%.

Например. Из Рис.1 следует, что при температуре Т=60ºС (кривая 5) абсолютная влажность воздуха вблизи древесины порядка d=0,13 кг/м³ (φ=100%) может быть достигнута лишь при увлажнении древесины до относительной влажности w ~ 30%, т.е. при максимальном насыщении древесины влагой, которую она может удержать в воздушно-сухом состоянии.

C другой стороны, благодаря свойству гигроскопичности древесины весьма непросто достичь высоких значений относительной влажности воздуха φ в парной с массивным деревянным потолком с невысокой относительной влажностью (w=8-10%).

Поясним сказанное.

Допустим, в парной размером 2,5×3 м настелен деревянный потолок из липовой доски толщиной 2,5 см, который нагрет до 60ºС. Плотность липы составляет 510 кг/м³.

Таким образом, вес потолка составляет ~ 100 кг. Примем также, что в парной установлен хомотермальный режим с абсолютной влажностью воздуха равной 0,05 кг/м³ (50г/м³).

Из Рис.1 видно, что при температуре воздуха Т=60ºС и его абсолютной влажности d=0,05 кг/м³ в равновесном изотермическом состоянии древесина потолка имеет относительную влажность w=6,6%. Или, говоря другими словами, потолок массой 100 кг содержит 6,6 кг воды.

Посмотрим, какой объем воды нам надо испарить на каменке, чтобы получить у потолка абсолютную влажность d=0,08кг/м³. Если допустить, что при испарении воды температура воздуха и потолка в парной останется равной Т=60ºС, тогда мы получим широко известный режим русской бани 60/60 (при температуре 60ºС относительная влажность воздуха будет так же 60%).

Надо сказать, что удержать температуру потолка равной 60ºС не удастся, так как при конденсации на потолке паров воды выделится скрытая теплота парообразования (теплота, затраченная при переводе воды с температурой 100ºС в пар с той же температурой 100ºС), которая нагреет потолок на некоторую величину, пропорциональную массе испаренной воды и массе потолка.

Испарим на каменке 400 г воды с подачей всего образовавшегося пара (допустим, с температурой 100ºС) на деревянный потолок.

В виду того, что деревянный потолок является пористым (гигроскопичным) материалом, он вначале сконденсирует на своей поверхности, а затем поглотит внутри себя весь объем пара. Относительная влажность потолка увеличится с 6,6 % до 7 % (6,6+0,4=7 кг/100, %). Температура же потолка поднимется до 65ºС.

Из Рис.1 видно, что абсолютная влажность воздуха у деревянного потолка (с температурой 65ºС и относительной влажностью 7 % повысится лишь до d=0,07 кг/м³ и воздух останется влагоненасыщенным, то есть с относительной влажностью φ<100%.

Напомним, что для температуры Т=65ºС полностью влагонасыщенный воздух (φ=100%) содержит в каждом кубометре 160 г водяных паров (d=0,16 кг/м³).

Будь у нас не гигроскопический потолок, тогда воздух у потолка с температурой 60ºС достиг бы сначала своего влагонасыщенного состояния (d=0,13 кг/м³, φ=100 %), а 320 г воды (0,4 — (0,13-0,05) = 0,32 кг) в виде сконденсировавшихся капель упало с потолка на пол парной.

Испарив на каменке вторую порцию воды равную 400 г, мы увеличим температуру потолка до 70ºС, его относительную влажность до w=7,4 %, а абсолютная влажность воздуха у потолка возрастет до d=0,1 кг/м³ (φ=50%). Воздух по-прежнему будет оставаться влагоненасыщенным.

Данный факт является весьма примечательным и в то же время очень положительным, так как все любители русской бани знают, что париться в воздухе со 100 % влажностью при температуре 70ºС равносильно залезть в ванну с водой, нагретой до 70ºС. Ощущение — не из приятных. А выдержать такой режим смогут единицы, да и то только после хорошего предварительного прогрева кожного покрова.

И даже испарив такую же третью порцию воды, мы не получим у потолка влагонасыщенный воздух. Потолок приобретет температуру, равную 75ºС при относительной влажности w=7,8%, а воздух достигнет абсолютную влажность, равную только d=0,12 кг/м³, и будет иметь все ту же относительную влажность φ=50%.

Таким образом, мы видим, что деревянный потолок выступает в парной мощным конденсатором и осушителем воздуха. Это дает возможность широкого варьирования температурно-влажностных режимов, не достигая критического насыщения воздуха парами воды.

Становится ясным тот факт, что для увлажнения воздуха в деревянной бане требуется увлажнить сначала потолок и стены. Причем для увлажнения потолка и стен потребуется намного больше воды, чем для увлажнения самого воздуха.

Поэтому перед началом парения увлажняют стены и потолок горячей водой с целью повысить их влажность, а уж только потом создают под потолком парной «пирог» влажного воздуха с повышенной температурой и влажностью, которым и парятся.

Способам приготовления пара и парения в дальнейшем планируется посвятить отдельную статью.

Анализ кривых гигроскопичности (см.Рис.1) показывает, что получить высокие влажности воздуха у потолка бани можно как путем нагрева потолка, так и путем его увлажнения. Так, например, абсолютную влажность воздуха d=0,13кг/м³ можно получить вообще без нагрева потолка, сохраняя его температуру на уровне 60ºС. Для этого требуется только напитать потолок дополнительными 20 литрами (20 кг) воды (при массе потолка 100 кг и его начальной относительной влажности w~10% (с 10 кг воды)).

С другой стороны можно вообще не увлажнять потолок, а только относительно быстро поднять его температуру с 60ºС до 80ºС.

Однако греть потолок в русской бане, кроме как печью и паром, нечем. Поэтому приходится комбинировать эти два средства нагрева, дополнительно поливая потолок, стены и полоки горячей водой.

С другой стороны гигроскопичный деревянный потолок, содержащий некоторый объем воды, в свою очередь увлажняет возле себя близлежащие слои воздуха, повышая их влажность. И увлажнение это будет тем сильнее, чем выше температура потолка и окружающего его воздуха.

Так, например, если перед протопкой бани в течение нескольких дней температура в парной была равной 20ºС, а относительная влажность воздуха φ=50% (d~0,009кг/м³), тогда можно говорить о том, что деревянный потолок имел относительную влажность w~10%.

Нагревая парную до 60ºС, мы тем самым нагреем и потолок. Потолок, нагреваясь, начнет испарять содержащуюся в нем воду и увлажнит близлежащие слои воздуха до d~0,08кг/м³. Относительная влажность воздуха повысится с 10% до 61,5% (0,08/0,13*100=61,5%).

Потолок в данном случае сработает как парогенератор, увлажняющий воздух.

Понятно, что данная влажность будет создана только в определенном объеме воздуха у потолка.

Этот объем воздуха с повышенной влажностью напрямую будет зависеть от объема испаренной потолком влаги. А тот, в свою очередь, будет определяться влагоемкостью (в конечном итоге, массой) потолка.

Теперь выясним, как влияет масса потолка на характеристики бани.

Казалось бы, что нагреть массивный деревянный потолок очень трудно и что при поддачах пара потолок будет скорее увлажняться, а не нагреваться.

Однако на поверку это оказывается вовсе не так. Покажем это.

Для этого примем допущение, что вся испаряемая на каменке вода в конечном итоге поглощается деревянным потолком. Обозначим массу порции испаряемой на каменке воды как m, кг, а массу потолка как М, кг. Тогда при принятых допущениях единичная величина поддачи m равна увеличению относительной влажности потолка, то есть ∆w=m/M*100,%.

При этом увеличение температуры потолка за счет выделения скрытой теплоты конденсации C_конд (равной скрытой теплоте испарения C_исп) будет равно:

∆Т=(C_конд/С_дер)*∆w/100=12,6*∆w,

где C_конд=С_исп=2260кДж/кг— теплота,выделяющаяся при конденсации водяного пара; С_дер=1,8 кДж/(кг*град) – теплоемкость древесины потолка.

Из этого соотношения следует удивительный результат: увлажнение потолка паром всего на 4% приводит к увеличению его температуры на ~ 50ºC.

Это означает, что при исходной температуре потолка равной 60ºC поддав на каменку порцию воды, равную 4% от веса потолка, повлечет за собой подъем температуры потолка на 50ºC (до 110ºC). Это сделает невозможным дальнейшее увлажнение потолка (конденсацию и адсорбцию воды), так как известно, что температура кипения воды, при нормальных атмосферных условиях, составляет ~100ºC.

При начальной температуре деревянного потолка ниже температуры пара (температуры точки росы влажного воздуха) и какой-то стартовой относительной влажности (меньше максимальной равновесной влажности w~30%) увлажнить деревянный потолок можно только одним способом.

И этот способ заключается в регулировании величины и скоростью поддач порций воды на каменку, а именно их малой величиной (относительно массы потолка), и растянутостью поддач во времени.

Причем величина и периодичность поддач порций воды на каменку обратно пропорциональна исходной относительной влажности древесины потолка. То есть, чем влажнее потолок перед началом поддач, тем меньше и реже должны быть поддачи для достижения требуемой влажности потолка.

Из вышеуказанного выражения следует также то, что более массивные деревянные потолки (М₁>М₂,кг) при одних и тех же по величине поддачах порций воды на каменку дольше сохраняют способность сорбировать в себя водяной пар, оставляя воздух возле своей поверхности влагоненасыщенным (φ<100%). Следовательно, более массивные деревянные потолки позволяют более широко варьировать температурно-влажностные параметры воздуха парной.

Необходимо также отметить следующее. В статье мы говорили о «легкости пара» в русской бане.

Так вот, достичь данных режимов в парной быстрее удается в том случае, если деревянный потолок массивен (вес которого более 100кг) и имеет начальную относительную влажность на уровне w=4-8%.

Это может быть достигнуто как активной сушкой потолка (желательно при повышенной температуре и пониженной влажности воздуха) после принятия банных процедур.

Такие условия наиболее легко обеспечиваются в банях с массивными кирпичными печами, которые в процессе протопки аккумулируют в своих стенах большое количество тепла. Это тепло, как правило, полностью не расходуется во время принятия бани.

Бани с кирпичными печами еще несколько дней после парения могут поддерживать в парной температуры на уровне 45-50ºС. Совмещая активную вентиляцию бани через открытые окна внешним воздухом с невысокой влажностью (напомним, что абсолютная влажность воздуха летом может колебаться в пределах 10-20 г/м³, а зимой 0-10 г/м³), можно добиться снижения влажности потолка до требуемых значений w=4-8%.

Вместе с тем, начальная сухость потолка в парной вовсе не гарантирует получение воздуха с требуемой влажностью (абсолютной и относительной) при реальных поддачах.

Происходит это по следующим причинам. При поддачах пар конденсируется на потолке, быстро насыщая внешние слои древесины и поднимая их температуру (вплоть до 100ºС).

В этих условиях древесина быстро теряет способность конденсировать и абсорбировать пары воды.

Это говорит о том, что для эффективной работы потолка как конденсатора и парогенератора должно соблюдаться ряд условий.

Во-первых. Желательно любыми способами увеличить площадь контакта древесины потолка с паром. Для этого доски потолка должны иметь в своем массиве трещины природного или искусственного происхождения.

Во-вторых. Древесину потолка ни в коем случае нельзя обрабатывать какими-либо водоотталкивающими составами. Наоборот, до монтажа потолка желательно доски пропитать любой гидрофильной пропиткой (например, каким-либо поверхностно-активным веществом или раствором поваренной соли). Обработка досок потолка раствором соли повышает способность древесины впитывать в себя влагу по сравнению с досками, не прошедшими такой обработки.

Объясняется это тем, что давление водяных паров в капиллярах древесины, пропитанной раствором соли, меньше чем давление водяных паров в капиллярах, просто заполненных водой.

Поэтому в аналогичных температурно-влажностных условиях доска, пропитанная солью, может вобрать в себя в 2 раза больше воды, чем обычная доска. А влажность воздуха, соприкасающегося с такой доской, оказывается ниже влажности воздуха возле доски, не прошедшей такой обработки.

Следовательно, воздух в парной с «соленым» потолком будет суше и его труднее будет вывести на режим влагонасыщения.

В-третьих. Потолок в парной должен быть хорошо проводящим тепло с целью его быстрого и равномерного прогрева по всему объему. Повысить теплопроводность потолка можно путем частого его армирования гвоздями (саморезами) в процессе монтажа.

В-четвертых. Потолок должен быть как можно более массивным для того, чтобы быстро не увлажнялся и не перегревался во время поддач. Массивный деревянный потолок весом не менее 100 кг не потеряет свою сорбирующую функцию и при поддачах нескольких литров воды. Легкий потолок, выполненный из вагонки (евровагонки), весом 35-40кг может потерять свои сорбирующие свойства уже при испарении на каменке до 1 литра воды.

Соответственно в этом случае у потолка быстрее будут созданы условия для формирования полностью влагонасыщенного воздуха (φ=100%) со всеми вытекающими отсюда негативными для парения последствиями.

В-пятых. Для сохранения сорбирующих свойств деревянного потолка процесс поддач порций воды на каменку должен быть растянут во времени. При соблюдении этого условия деревянный потолок не будет перегреваться и будет успевать сорбировать в себе новые порции пара.

В-шестых. Деревянный потолок с внешней стороны должен быть хорошо утеплен с целью не только исключения потери тепла, но и равномерного своего прогрева по всей массе.

Итак, подведем итоги.

Мы выяснили ряд замечательных свойств, присущих дереву как таковому и потолкам парных, выполненным из дерева.

Среди таких свойств необходимо отметить гигроскопичность деревянных потолков (сорбировать из воздуха влагу) и их способность увлажнять близлежащие слои воздуха до определенного значения, которое зависит от температуры нагрева потолка.

Массивные (М>100кг) деревянные потолки с относительно невысокой начальной влажностью (w=4-8%) способны длительное время конденсировать и поглощать в себе находящуюся в воздухе влагу, не давая воздуху увлажниться до максимально возможных значений (относительной влажности φ~100%).

C такими потолками легче достигать и поддерживать в парной влажностные режимы, присущие русской паровой бани, как на этапе предварительного прогрева, так и во время парения (Т=45-65ºС, φ=50-90%, d=50-100 г/м³).

Вот и все пока.

В следующей статье мы коснемся конструктивных особенностей деревянного потолка парной, который позволит нам насладиться всеми режимами, присущими именно паровой русской бани.

До новых встреч!

Пока!