Аэродинамика воздушных потоков в парной « Строим русскую баню по уму

Аэродинамика воздушных потоков в парной

25 Фев

В настоящей статье будут рассмотрены особенности влияния перемещения воздушных масс на характеристики температурно-влажностных режимов бани.

Как известно одним из способов переноса тепла в бане является конвекция, то есть перенос тепла воздушными массами.

Основным источником нагрева парной в бане является печь (то ли металлическая, то ли кирпичная).

Воздух, нагреваясь стенками печи, под действием архимедовых сил всплывает вверх к потолку. Затем этот нагретый воздух, растекаясь по потолку, постепенно остывает, отдавая свою энергию ограждающим парную конструкциям, опускается вдоль стен вниз к полу и вновь подходит к печи. Цикл нагрева и теплопереноса повторяется.

Это можно видеть на рисунке вверху, на котором циркуляционный поток выделен красным цветом. Направления перемещения циркуляционных потоков воздуха в парной определяются геометрическими формами самой парной, местоположением и формой размещаемых в ней полоков, размещением и формой (конструктивом) самой банной печи.

Зная траекторию движения циркуляционного переносящего тепло потока воздуха, можно правильно спроектировать местоположение вентиляционных отверстий в стенах парной.

На рисунке показан один из возможных вариантов расположения вентиляционных отверстий в стенах парной. Меняя местоположение входного и выходного вентиляционных отверстий, можно изменять траекторию движения циркуляционных тепловых потоков путем воздействия на них входными и выходными вентиляционными потоками. При этом обеспечивается не только эффективное вентилирование бани, но и создание требуемых температурно-влажностных режимов в парной.

В реальных условиях циркуляционные и вентиляционные потоки существуют одновременно. Но именно циркуляционные потоки греют потолок, стены и пол бани и определяют формирование в парной заданной температурно-влажностной картины.

Допустим у нас в парной находится металлическая печь, топливник которой снаружи обнесен тепловым экраном. Сверху на печи размещена открытая каменка. Нагрев парной осуществляется конвективно в результате прохождения воздуха в тепловом зазоре, размещенном между металлической стенкой топливника и внешним металлическим тепловым экраном печи, а также над нагретой каменкой .

Примем, что тепловая мощность печи составляет Q=20 кВт*час. Подобная тепловая мощность может быть спокойно выделена в топливнике печи в течение 1 часа в результате сжигания ~10 кг дров (Q= η*m*C_др=1,9m, где η = 0,5 – коэффициент полезного действия печи, m=10 кг*час – часовой расход дров, C_др = 3,8 кВт*час/кг – теплотворная способность дров с относительной влажностью 20%). При этом считается, что все выделяемое горящими дровами тепло сразу же передается через стенки печи окружающему печь воздуху.

Примем также, что объем парной составляет 10 м³, объем, циркулирующего в парной воздуха, составляет 7,5 м³, а объем не циркулирующего воздуха (воздуха заключенного под полоками) составляет 2,5 м³.

Печь забирает у пола воздух с температурой Т=20ºС, пропускает его через калориферный зазор, нагревает до требуемой температуры (пусть до Т=100ºС) и направляет его к потолку.

Воздух, отдавая свою энергию потолку, стенам полу, остывает и вновь поступает для нагрева к печи.

Поскольку печь в течение часа выделяет 20 кВт тепла, а теплоемкость воздуха составляет С_в= 1 кДж/кг*град = 0,2778 Вт/кг*град, тогда за 1 час вдоль поверхности печи пройдет 900 кг воздуха последовательно нагреваясь от 20ºС до 100ºС и снова остывая.

А именно

20 000 Вт = 0,2778 Вт/кг*град*900кг*(100ºС-20ºС).

Поскольку в парной циркулирует только 7,5м³ воздуха, то это означает, что эти 7,5м³ воздуха в течение 1 часа 120 раз (900кг/7,5 м³=120раз) проходят вдоль печи, нагреваясь от нее и охлаждаясь на ограждающих парную поверхностях (потолке, стенах, полу).

Но надо помнить, что находящаяся в воздухе влага при контакте с поверхностями, нагретыми до температур ниже точки росы для имеющейся концентрации паров воды в воздухе, неизбежно сконденсируется на этих поверхностях. Воздух осушится.

И если этот воздух, проходя вдоль печи, вновь имеет возможность нагреться до прежней температуры 100ºС, то восстановить прежнюю влажность он не может. Прежнюю влажность воздух будет иметь только в том случае, если на каменке вновь испарить некоторое количество воды, которую воздух потерял в виде конденсата, охлаждаясь на стенах и полу парной.

И подобную процедуру увлажнения воздуха в парной придется повторять до 120 раз в течение 1 часа (т.е. 2 раза в минуту).

Характерной чертой этого температурно-влажностного режима является невозможность постоянного накопления влаги в воздухе, а также невозможность сохранения высокой влажности воздуха.

Попытка создания в воздухе абсолютной влажности d ≥50 г/м³ (характерной для паровых режимов русской бани), которая держалась хотя бы на протяжении нескольких минут, не удается.

Причиной указанного осушения воздуха является его циркуляция при наличии в бане поверхностей более холодных, чем воздух. Такими предметами могут быть сам человек, пол, баки с холодной водой.

Все вышесказанное относилось к режиму протопки бани, когда в печи горели дрова. Скорость конвективных потоков воздуха вдоль стенок печи в этом режиме составляет 0,1-1 м/с.

Теперь погасим печь. Будем считать, что в этом режиме конвективные потоки воздуха образуются только над нагретыми камнями, находящимися сверху печи. Температура стенок печи сравнивается с температурой окружающего печь воздуха.

Предположим, что мощность каменки по нагреву воздуха в этом режиме составляет только 2кВт*час тепла. Отметим, что такую тепловую мощность имеет кирпичная банная печь с площадью боковых поверхностей порядка 4-5м², нагретых до температур 80-90ºС.

Это означает, что скорость циркуляции воздуха сократится со 120 раз до 12 раз (тепловая мощность печи снизилась с 20 кВт*час до 2 кВт*час). При этом время осушения воздуха увеличится с полминуты до 5 минут (60мин/12раз=5мин).

Мы видим, что промежуток времени, при котором влажность воздуха находится на уровне обеспечения паровых режимов, становится достаточным, чтобы успеть почувствовать и принять паровые процедуры с конденсацией пара на теле человека.

Скорости перемещения воздуха в парной при этом также снижаются в 10 раз и составят порядка 0,01-0,1 м/с. Возникает возможность вручную регулировать скорость воздушных потоков, работая банным веником и осуществляя режимы «разгона» пара по объему парной и «посадки» пара на парящемся.

Если мы накроем камни на печке какой-либо крышкой, тем самым мы еще больше снизим выделяемое печью тепло. Предположим, что при этом выделяемая каменкой тепловая мощность составит 0,5 кВт*час. Скорость циркуляции воздушных потоков снизится до 0,001-0,01 м/с. Фактически, любое перемещение воздуха в парной будет обуславливаться только движением человека и перемещением банного веника.

Если в этих условиях увлажнить воздух, то созданная в воздухе влажность будет держаться на протяжении уже порядка 20 мин (2кВт/0,5кВт=4раза*5мин=2/мин).

Это говорит о том, что воздух в этих условиях может увлажняться не только от поддачи воды на каменку, но и от испарений пота парящимися или испарений с мокрого теплого пола. В бане можно достичь предельно влажных условий для имеющихся температур.

Баня становится малоконтрастной и не способной к быстрому изменению температурных режимов. Но зато в этих условиях баня наиболее предсказуема.

В этих условиях парильщик, работая поддачами воды на каменку (поднимая влажность воздуха) и веником (создавая требуемую скорость движения воздуха), может создать на теле парящегося экстремальные тепловые потоки порядка ~ 2000 Вт/м² с временем переносимости равным нескольким секундам .

В случае наличия в парной холодных поверхностей с температурой Т<40ºС влажный воздух можно быстро осушить, направив его на эти поверхности и сконденсировав на этих поверхностях находящуюся в воздухе влагу.

Таким образом, присутствие в парной воздушных потоков делает баню контрастной, способной дать мощные волны жгучего пара и быстро осушаться.

Баня с подвижным воздухом может быть и паровой и сухой.

Как правило, преимущественно сухой (с низкой влажностью воздуха) баня реализуется с установкой в парной металлической печи с открытым размещением каменки.

В этих условиях открытые камни, даже при погашенной печи, создают сильные конвекционные потоки при достаточно высокой температуре воздуха в парной.

Металлические печи очень быстро нагревают воздух и потолок в парной до температур, превышающих 90ºС.

Вспомним, что абсолютная влажность воздуха, при которой начинается конденсация паров на коже человека (Т=40ºС) равна d=50 г/м³. Эта абсолютная влажность соответствует относительной влажности воздуха при температуре Т=90ºС φ=50г/м³/423 г/м³*100%=11,8%, а при Т=100ºС — φ=50г/м³/598 г/м³*100%=8,4%. Здесь 423 г/м³ и 598 г/м³ — максимальное возможное содержание паров воды в воздухе при Т=90ºС и Т=100ºС, соответственно.

Попытка создать в воздухе с температурой Т≥90ºС влажность более высокую, чем 50г/м³, оборачивается выпадением на теле конденсата с температурой окружающего воздуха.

Согласитесь, что ощущения при этом будут экстремальными, хотя и кратковременными (при подаче в парную через вентиляционные отверстия свежего воздуха и обеспечение «посадки» увлажненного воздуха на холодный пол).

Поэтому, чтобы получить в этих условиях высоковлажностные паровые режимы парную придется охладить до температур порядка 50-60ºС и только после этого начинать поднимать влажность воздуха. Делается это либо путем поддач порций воды на каменку, либо разбрызгиванием воды на стены и потолок, исключив при этом какую-либо вентиляцию парной внешним воздухом.

В случаях, когда в парной находится кирпичная печь со скрытой внутри печи каменкой, температура стен такой печи, как правило, не превышает 90ºС. При этом температура воздуха, до которой он может быть нагрет стенками печи, не превышает 50-60ºС.

В этих условиях гораздо легче баню сделать паровой.

Каждый 1 м² поверхности кирпичной печи излучает в парную не более 0,5 кВт*час тепла. Скорость конвекционных потоков воздуха, нагреваемых поверхностью печи, в этом случае не превышает 0,1 м/с. При площади боковых поверхностей печи порядка 2-4 м² циркулирующий в парной объем воздуха равный 7,5 м³ будет делать в парной за 1 час не более 6-12 полных оборотов, попеременно то нагреваясь печью, то охлаждаясь стенами, полом, человеком.

Другими словами, в этих условиях существует возможность создания во временных промежутках, длящихся от 5 мин до 10 мин, высоковлажностных паровых режимов с абсолютной влажностью воздуха d=50-80 г/м³.

Подведем черту.

Из сказанного следуют выводы.

1) Возникновение циркуляции (не путать с вентиляцией) воздуха в парной связано с наличием в парной печи, нагретой до температур, превышающих температуру окружающего ее воздуха.

2) В процессе циркуляции воздуха происходит не только его регулярный нагрев и охлаждение, но и, что более важно, его осушение на предметах обстановки бани, имеющих температуру ниже температуры воздуха.

3) Осушение (снижение влажности) воздуха на холодных элементах бани происходит быстрее, чем происходит снижение его температуры.

4) С целью не допущения осушения воздуха ниже величины абсолютной влажности равной d=50 г/м³ (ниже которой не возможен режим конденсации пара на теле человека) любой предмет (поверхность) в парной должен иметь температуру не ниже 40ºС.

5) В банях, где реализуются режимы быстрого снижения влажности воздуха при относительно стабильном поддержании температуры, относятся к суховоздушным саунам. В саунах обязательно присутствует постоянная приточная вентиляция свежего воздуха.

6) И наоборот, в банях, где удается относительно долго удерживать влажность воздуха на заданном высоком уровне (d=50-80 г/м³), относятся к паровым русским баням. Паровые режимы достигаются исключением в парной в процессе парения каких-либо конвекционных потоков воздуха (за исключением потоков воздуха, создаваемых парильщиком банным веником). Проветривание парной между сеансами парения производится залповым методом (путем открытия на несколько минут имеющихся в ней дверей и окон).

Вот пока и все на этот раз.

Тем же, кто хочет быть постоянно в курсе того, что нового появляется на данном блоге, достаточно кликнуть на находящуюся внизу этой страницы кнопку «ПОДПИСКА НА РАССЫЛКУ НОВОСТЕЙ БЛОГА», внести в появившуюся форму свое имя и свой электронный адрес и нажать кнопку «ПОДПИСАТЬСЯ».

До встречи!