Просмотров: 7 589
По 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=рн=р0 атм (Па) от температуры воздуха T,ºC.
Рис.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=рн=р0, 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:
- Банная «Печь В Кубе» Игоря Васильева. Дайджест. Продолжение
- Банная «Печь В Кубе» Игоря Васильева. Дайджест
- Банные печи с пламенным прогревом каменки. Подведение некоторых итогов по прошествии 5 лет строительства и эксплуатации печей подобного типа
- Банная печь по мотивам «Печи В Кубе» Игоря Васильева
- Банная печь Игоря Васильева. Попытка синтеза. Постскриптум
