Какая она – русская баня? Часть 4 « Строим русскую баню по уму

Какая она – русская баня? Часть 4

19 Окт

Начало темы ЗДЕСЬ.

В предыдущей статье мы коснулись вопроса влияния температурно-влажностных параметров банной атмосферы на человека.

В настоящей статье мы рассмотрим механизмы передачи тепла человеку в бане и определимся с уровнями тепловой нагрузки, которым подвергается человек во время приема банных процедур.

Вспомним, что нагрев тела человека происходит за счет следующих механизмов:

— лучистой теплопередачи;

— кондуктивной теплопередачи (передачи теплопроводностью);

— конвективной теплопередачи;

— конденсации паров воды из воздуха на поверхность тела человека.

Рассмотрим по порядку все эти механизмы.

Лучистая теплопередача.

Лучистую теплопередачу часто называют лучистым нагревом, лучистым теплопереносом, инфракрасным нагревом, тепловым излучением. Таким образом, лучистым (тепловым) будем называть излучение светового электромагнитного диапазона с длинами волн 0,01-100 мкм, которое может поглощаться биологическими тканями человека с выделением тепла.

Условно тепловой диапазон можно разделить на ультрафиолетовый (0,01-0,4мкм), видимый (0,4-0,75мкм) и инфракрасный (более 0,75 мкм) поддиапазоны.

Любые нагретые тела и газовые среды излучают определенный спектр электромагнитных волн. Энергия, которую несут излученные кванты света, определяется температурой нагрева излучающего тела (газовой среды).

Так плотность интегрального потока лучистой энергии Е_0,испускаемой поверхностью абсолютно черного тела в полусферу во всем диапазоне длин волн от 0 до ∞, описывается уравнением Стефана-Больцмана и пропорциональна 4 степени температуры его нагрева

Е₀= σТ⁴Вт/м², (1)

где σ=5,67*10^-8 Вт/м²К⁴ – постоянная Стефана-Больцмана, Т- абсолютная температура нагретого тела в градусах Кельвина, К.

Излучательные свойства реальных тел отличаются от свойств абсолютно чёрного тела тем, что учитывается их степень черноты с помощью специального коэффициента степени черноты ε.

В этом случае

Е= εЕ_0.(2)

Энергия, переносимая лучистым потоком на отдельных длинах волн Е_λ(спектральная плотность),описывается формулой Планка:

E_λ = С₁·λ^-5 / (eхр (C₂/(λT)) - 1), Вт/м²*мкм. (3)

Здесь С₁ = 3,7413*10^-16Вт*м² и С₂ = 1,4388*10^-2м*К– постоянные Планка, λ – длина волны излучения, мкм, Т – абсолютная температура в градусах Кельвина, К.

Проинтегрировав выражение (3) по всему спектральному диапазону мы получим суммарную величину излучаемого телом лучистого потока, равную величине, получаемую по формуле (2).

С уменьшением температуры нагретого тела максимум излучения сдвигается в длинноволновую часть электромагнитного спектра (см.Рис.1).

Рис.1

На рисунке 1 кривые характеризуют излучаемую энергию на отдельных длинах волн абсолютно черным телом, нагретым до температур от 100 до 1000ºС. Площадь фигуры, заключенная под кривой, характеризует излучаемую абсолютно черным телом энергию во всем спектральном диапазоне. Площадь, ограниченная восходящей ветвью кривой, составляет ¼ всей излучаемой телом тепловой (лучистой) энергии. Соответственно под нисходящей ветвью заключено ¾ излучаемой телом энергии.

Из рисунка видно, что с повышением температуры тела максимум излучаемой телом энергии смещается в длинноволновую область электромагнитного спектра.

Смещение максимума излучаемой энергии по спектру подчиняется закону смещения Вина:

λ_max = 2900/Т = 2900/(t+273,15), (4)

где t – температура излучающего тела в градусах Цельсия, ºС.

Наиболее нагретой поверхностью в бане является поверхность печи-каменки, будь то кирпичная или металлическая печь. Все остальные поверхности внутренней обстановки бани имеют меньшую температуру.

Температура металлической печи и ее дымохода может достигать 400ºС. Температура самых нагретых участков внешней поверхности кирпичной печи (без учета температуры нагрева топочной дверцы, дверцы каменки, чугунного настила для подогрева бака с водой) редко превышает 120ºС. В грамотно сложенной кирпичной печи, температура внешних стенок редко превышает 90 ºС.

Из выражения (4) следует, что максимум излучения стенок кирпичной печи приходится на длину волны λ_max = 8 мкм (t=90 ºС), для металлической печи λ_max = 4,3 мкм (t=400ºС), а для деревянных стен парной λ_max = 8,7 мкм (t=60ºС).

Из изложенного видно, что все имеющиеся в бане нагретые поверхности, излучают в невидимой человеческим глазом инфракрасной (ИК) зоне электромагнитного спектра. При этом, все низкотемпературные поверхности с t≤40ºС (в том числе и человек) имеют максимум излучения на длинах волн λ_max ≥ 9 мкм.

Руководствуясь этим фактом, влиянием излучений других спектральных диапазонов на человека в бане можно пренебречь.

Тепловое излучение распространяется прямолинейно, не нагревая воздух. Проходя через воздух, ИК излучение нагревает встречающиеся на своем пути поверхности. Нагрев самого воздуха начинается только от нагретых лучистым теплопереносом поверхностей за счет возникающих при этом кондуктивной и конвективной теплопередач.

Нагретые лучистым потоком поверхности в свою очередь начинают переизлучать в окружающее пространство энергию ИК диапазона.

Таким образом, в замкнутом объеме (например, в бане), где имеется первичный источник теплового излучения (банная печь), а вторичными переизлучающими источниками являються элементы ограждающей конструкции парной (стены, потолок, пол), складывается сложная картина лучистого теплопереноса. И именно эта картина сформировавшегося теплового поля воздействует на находящегося в бане человека.

Заметим, что человек как теплокровный организм, имеющей температуру около 40ºС, в свою очередь, всей поверхностью своего тела тоже излучает в пространство тепловой поток величиной порядка 500 Вт.

Cуммарный тепловой поток, воздействующий на человека, может быть определен как разность энергий внешнего теплового излучения и теплового потока человека, т.е.

Е= ε_тσT⁴– ε_чσ(273,15+t_ч)⁴Вт/м², (5)

где t_ч=40ºС – температура человека, Т – усредненная температура внешних источников теплового излучения в Кельвинах, ε_т— степень черноты внешнего источника излучения, ε_ч – степень черноты человеческого тела.

Для человека, излучающего на длинах волн λ превышающих 9 мкм (λ_max=9,27мкм при t=40ºC), коэффициент черноты ε_чблизок к 1.

В таблице 1 показаны значения результирующей лучистой составляющей теплового потока, действующей на человека в диапазоне температур 0-1000ºС.

Таблица 1

Температура излучающих поверхностей Т, К	Температура излучающих поверхностей t, ºC	Длина волны максимума излучаемой энергии λmax, мкм	Излучаемая поверхностями энергия Е, Вт/м²	Результирующая лучистая составляющая теплового потока, воздействующая на человека в бане Δ=Е(313К) -Е(К), Вт/м²
273	0	10,62	315	-229
283	10	10,25	364	-181
293	20	9,90	418	-126
303	30	9,57	478	-66
313	40	9,27	544	0
323	50	8,98	617	73
333	60	8,71	697	153
343	70	8,45	785	241
353	80	8,22	880	336
363	90	7,99	984	440
373	100	7,77	1 098	553
383	110	7,57	1 220	676
393	120	7,38	1 353	808
403	130	7,20	1 496	951
413	140	7,02	1 650	1 105
473	200	6,13	2 838	2 294
573	300	5,06	6 112	5 568
673	400	4,31	11 632	11 088
773	500	3,75	20 244	19 700
873	600	3,32	32 934	32 389
973	700	2,98	50 820	50 296
1073	800	2,70	75 159	74 615
1173	900	2,47	107 343	106 799
1273	1 000	2,28	148 901	148 356

В последнем столбце таблицы показаны рассчитанные результирующие лучистые потоки тепла, воздействующие на человека. При этом заметим, что человек, являясь в свою очередь нагретым до температуры 40ºС телом, излучает в окружающую среду тепловой поток 544 Вт/м² (Рис.2).

Рис.2

Из данных последнего столбца таблицы видно, что в условиях, характерных для всех видов бань от турецкого хамама (с температурой 40ºС) до суховоздушной сауны (с температурами до 140ºС), на человека с площадью кожных покровов ~1м² могут воздействовать тепловые потоки величиной до 1100 Вт/м².

Здесь под тепловыми потоками понимаются именно лучистые потоки, испускаемые нагретыми до определенной температуры телами.

Величину лучистого теплового потока от нагретых тел в диапазоне температур 0-120ºС можно вычислить по приближенной формуле

Q_луч=α_луч*Δt Вт/м², (6)

где α_луч— коэффициент лучистой теплопередачи, Вт/(м²*град); Δt – разность температур нагретых тел, ºС.

Для диапазона температур 0-60ºС коэффициент α_лучпринимают равным7 Вт/(м²*град).

В диапазоне температур 60-120ºС коэффициент α_луч=10 Вт/(м²*град).

Пример 1. Рассчитаем величину лучистого потока, который поступает на человека от печи, нагретой до 100 ºС. Температуру человека примем равной t_ч = 40ºС.

Q_луч=α_луч*Δt=10*(100-40)=600 Вт/м².

Значение Q_луч, рассчитанное по формуле Стефана-Больцмана и показанное в последнем столбце таблицы, равно:

Q_луч = ε_чσ(373,15+t_ч)⁴— ε_чσ(273,15+t_ч)⁴=553 Вт/м².

Пример 2. Вернемся к таблице1. Пусть человек с температурой тела 40ºС находится в помещении, температура стен которого равной 0ºС. Воздух в помещении имеет температуру 40ºС. Человек раздет. Кожа его сухая. Найти результирующий тепловой поток, воздействующий на человека.

В четвертом столбце табл.1 находим, что человек с температурой 40ºС излучает в окружающую среду 544 Вт/м² тепла. Для того, чтобы человек не почувствоал холода он извне должен получить те же 544 Вт/м² тепла. Стены помещения с t=0ºС отдают человеку 315 Вт/м² тепла. Баланс тепловых потерь человека составляет 544-315=229 Вт/м². Для компенсации этого недостатка тепла воздух в помещении надо нагреть на 28-29ºС, т.е. до 68-69ºС. Из предпоследнего столбца табл.1 видно, что среда с температурой 68-69ºС излучает порядка 776 Вт/м² тепла. Внешний тепловой поток на человека будет равен 776-229=547 Вт/м², а результирующий – 553-547~0 Вт/м². Другими словами, человек в этих условиях не будет «замечать» холодных стен.

Пример 3. По формулам (1) и (2) рассчитаем тепловые потоки, излучаемые 1 м² нагретой поверхности кирпичной и металлической печи, а также деревянными стенами парной с учетом степени их черноты ε ~ 0,9.

Так 1 м² поверхности кирпичной печи, нагретой до t=90ºС, излучает в окружающую среду 886 Вт/м² тепла. 1 м² поверхности экранированной металлическими экранами железной печи, нагретой до t=200ºС, излучает 2 838 Вт/м2. Эта же металлическая печь, нагретая до t=400ºС, излучает уже 10 468 Вт/м²тепла_.А 1 м² деревянной стены, нагретой до t=50ºС, излучает всего 555 Вт/м².

Перейдем к рассмотрению других механизмов передачи тепла человеку в бане.

Кондуктивная теплопердача обусловлена движением молекул воздуха. Она может наблюдаться как в подвижном, так и в неподвижном воздухе в случае наличия в нем отдельных зон с различной температурой. В горячих зонах молекулы воздуха более энергичны (имеют более высокую скорость), чем в холодных зонах. В процессе взаимной диффузии молекулы из более горячих зон движутся в более холодные зоны воздуха. При этом возникает направленный поток переноса тепла.

Величину кондуктивного теплового потока можно рассчитать по формуле:

Q_конд=α_конд*Δt Вт/м², (7)

где α_конд=10 Вт/(м²*град) – коэффициент кондуктивной теплопередачи в неподвижном воздухе, Δt – разность температур в слое среды толщиной 1м. Коэффициент α_конодинаков для любых плоских поверхностей будь то раздетый человек, то ли стены бани, то ли стенки печи. Так раздетый человек, находясь в комнате с температурой воздуха 20ºС, будет отдавать в окружающую среду за счет кондуктивной теплопередачи тепловой поток

Q_конд=10*(20-40) = -200 Вт/м². Температура тела человека принята равной 40ºС. И наоборот, при температуре воздуха 60ºС, человеку из воздуха будет передаваться такой же объем тепла: Q_конд=10*(60-40)=200 Вт/м². При температуре воздуха 100ºС (суховоздушная сауна), человеку из воздуха будет передаваться объем тепла равный Q_конд=10*(100-40)=600 Вт/м².

Конвективная теплопередача представляет собой перенос теплоты в жидких или газообразных средах потоками вещества. В условиях бани под конвективной передачей тепла понимают теплоту, переносимую нагретыми массами воздуха.

Конвекция может быть естественной и принудительной.

Естественная конвекция воздуха в гравитационном поле Земли образуется под действием сил Архимеда, возникающих в воздушных массах при их неравномерном нагреве. Воздух, нагретый сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы перемещается вверх относительно менее нагретого воздуха.

При постоянном подводе теплоты к воздуху (например, нагретыми стенками банной печи) в нем возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев воздуха к менее нагретым слоям.

Естественная конвекция будет продолжаться до тех пор, пока температура всего находящегося воздуха не примет температуру нагревающего его источника (для условий бани это температура печи).

Принудительная конвекция воздуха возникает при приложении внешних сил. Для бани такими силами, например, могут быть включенные вентиляторы, перемещение воздуха банными вениками в режиме парения и пр.

Величину конвективного теплового потока можно вычислить по формуле:

Q_конв=1,3*V*Δt кВт/м², (8)

где V-скорость движения воздуха, м/с; Δt – разность температур между «горячей» и «холодной» зонами воздуха, ºС.

В своей книге «Теория бань» Ю.М.Хошев приводит следующую диаграмму (см.Рис.3) действующих в бане на человека тепловых потоков, обусловленных лучистым теплом, кондуктивной и конвективной теплопередачами. Диаграмма построена для изотермической бани, где все элементы ограждающих человека конструкций нагреты до одинаковой температуры и созданы хомотермальные условия (т.е. абсолютная влажность воздуха d=50 г/м³ и остается неизменной с подъемом температуры воздуха). Напомним, что при хомотермальных условиях невозможны процессы испарения и конденсации влаги на теле человека с температурой 40ºС.

Рис.3

На рис.3 изображено: зона 1 – тепловой поток на тело человека в изотермической бане с температурой Т и скоростью движения воздуха 1 м/с в хомотермальном режиме. Зона 2 отвечает вкладу кондуктивной составляющей теплового потока. Зона 3 – вклад конвективной составляющей теплового потока со скоростью движения воздуха 1 м/с. Зона 4 – вклад лучистой составляющей, равная разнице потоков излучения от стен и от тела человека с температурой 40ºС [σ(273+Т)⁴- σ(273+40)⁴].

Все три составляющие растут с поднятием температуры воздуха и при 100ºС составляют суммарно ~ 1,5 кВт/м² (~ по 0,5 кВт /м² каждая).

В реальных условиях температуры стен, потолка, пола в бане не одинаковые. Поэтому вклад лучистой составляющей теплового потока оказывается меньше, чем изображено на рис.3.

Конвективная составляющая может быть как больше изображенной на рисунке 3 (при скоростях воздуха более 1м/с), так и меньше. Скорости 1-3 м/с соизмеримы со скоростями воздуха, создаваемыми при работе банным веником. При отсутствии воздушных потоков (нет перемещений человека в парной, не парятся вениками) конвективная составляющая равна нулю.

Поэтому рассмотренные лучистая, кондуктивная и конвективная теплопередачи в хомотермальных (d=50г/м³) условиях хотя и могут создать тепловые потоки до 1,5 кВт/м², когда человек будет чувствовать себя жарко, но обжигающими эти потоки не будут.

Обжигающими тепловые потоки в бане становятся при задействовании механизма конденсации на человеке влаги из воздуха с выделением скрытой теплоты парообразования.

И здесь мы переходим к рассмотрению теплопередачи, связанной с процессами испарения воды и конденсации водяных паров.

Испарение — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (в нашем случае воды). Процесс конденсации является обратным процессу испарения (переход из парообразного состояния в жидкое).

Процесс испарения сопровождается поглощением теплоты. Это происходит по следующим причинам. При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил, а также против внешнего давления уже образовавшегося над жидкостью пара совершается за счёт кинетической энергии теплового движения молекул. В результате испарения жидкость охлаждается.

Чтобы процесс испарения протекал при заданной постоянной температуре, необходимо сообщать каждой единице массы жидкости определённое количество теплоты, называемое скрытой теплотой испарения (парообразования).

В Части 2 нашего исследования уже говорилось, что скрытая теплота испарения воды при температуре 0 ºС составляет Q_исп = 2500 кДж/кг = 0,597 ккал/кг = 0,70 кВт_*час/кг и постепенно понижается с повышением температуры. При 100ºС Q_исп = 2260 кДж/кг = 0,539 ккал/кг = 0,63 кВт_*час/кг.

Те же количества тепла выделяются при конденсации водяного пара и носят название скрытой теплоты конденсации Q_конд.

После перевода воды из жидкого состояния в газообразное при данной температуре вся дополнительная, сообщаемая пару энергия, идет на увеличение кинетической энергии молекул пара.

Количество тепла, необходимое для повышения температуры с t₁до t₂ воды/пара массой m, можно рассчитать по следующей формуле:

Q = C(t₂– t₁) m, кДж (9)

где m — масса воды/пара, кг; С — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг*ºC).

Удельная теплоемкость воды С величина переменная и зависит от температуры. Так С=4,218 кДж/(кг*ºC) при t=0 ºC. Затем значение теплоемкости немного снижается, становится минимальной С=4,176 кДж/(кг*ºC) при t=37 ºC, а потом вновь возрастает до С=4,216 кДж/(кг*ºC) ) при t=100ºC.

В принципе, для расчетов можно принять, что удельная теплоемкость воды является постоянной величиной равной 4,2 кДж/(кг*ºC).

Нагревая 1 кг воды или пара на одну и ту же величину, например, на 80ºC, мы затратим одинаковое количества тепла: Q =4,2*80 =336 кДж/кг.

Видно, что эта величина гораздо меньше скрытой теплоты парообразования, величину которой, условно, можно принять равной Q_исп = 2260 кДж/кг.

При остывании и конденсации пара наблюдается обратный процесс. Вначале пар отдает тепло до снижения своей температуры с t₂ до t₁(в нашем случае 336 кДж/кг), а затем начинает конденсироваться.

Конденсация пара начнется при температуре t₁в том случае, если его количество (масса) сравняется с плотностью насыщенного пара при этой температуре. При этом выделится количество тепла, затраченное для перевода воды в пар при этой температуре. В нашем случае это Q_конд =Q_исп = 2260 кДж/кг.

Передача тепла при образовании пара и его конденсации, может происходить как в неподвижном воздухе, так и в подвижном.

Рассчитать такую теплоту можно по формуле:

Q_конд=Q_исп=15 (d-0,05)+28 (d-0,05) V кВт/м², (10)

где первое слагаемое характеризует кондуктивную составляющую теплопередачи при испарении/конденсации влаги; второе слагаемое характеризует конвективную составляющую теплопередачи при испарении/конденсации влаги; d – абсолютная влажность воздуха, г/м³; V – скорость движения воздуха, м/с.

На рисунке 4, взятому из вышеуказанной книги, приведена диаграмма зависимости уровня тепловой нагрузки на организм человека от величины абсолютной влажности воздуха в бане для кондуктивной и конвективной составляющих процессов испарения/конденсации влаги.

Рис.4

Рис.4. Тепловой поток на тело человека, обусловленный испарением влаги с мокрой кожи человека (поток отрицательный, поскольку тело человека при этом охлаждается) или конденсацией паров воды на коже (поток положительный). Зона 1 – вклад охлаждения (нагрева) за счет испарения (конденсации) в неподвижном воздухе (кондуктивная составляющая). Зона 2 — вклад охлаждения (нагрева) за счет испарения (конденсации) в подвижном воздухе (конвективная составляющая при скорости движения воздуха 1 м/с). Прямая 3 – суммарный тепловой поток.

Из рисунка 4 видно, что в неподвижном воздухе теплопередача за счет испарения (конденсации) не превышает 0,5-1,0 кВт/м². Причем, тепловой поток в 1 кВт/м² в режиме конденсации наблюдается при абсолютной влажности воздуха равной d=120 г/м³. А такое содержание паров воды может удержать в себе воздух, нагретый до температуры не ниже 57ºС.

Появление воздушных потоков со скоростями до 1м/с (характерная скорость для перемещения банного веника в процессе парения) позволяет получить тепловые потоки до 2 кВт/м² и выше (при d=100г/м³ и T≥55ºС). Это означает, что работая веником с разной скоростью можно кардинально и быстро изменять тепловое воздействие на человека.

Эти эффекты положены в основу русской паровой бани, в которой весьма мягкие климатические условия дополняются кратковременными волнами с трудом переносимого жара, вызванных движением веника.

И наконец, разберемся с абсолютными величинами тепловых потоков для того, чтобы понять какие из них по величине есть «существенными» по переносимости для человека, а какие нет.

Договоримся под «переносимостью» человеком поступающего на него тепла понимать способность человека выдержать некоторую по величине тепловую нагрузку определенное время. При превышении этими параметрами определенных порогов делает пребывание человека под их воздействием невозможным и последний стремится любыми путями освободиться от их влияния.

При этом переносимость тепла кожей человека будет отличаться от переносимости тепла его телом.

На рис.5 и рис.6 (Л.А.Глушко. «Защита от перегрева в горячих печах», М., Металлургия, 1963) изображены зависимости переносимости неразогретой кожей и телом человека различных по уровню тепловых потоков.


Рис.5	Рис.6

Цифры у кривых обозначают переносимость тепла: 1 – кожей, 2 – телом.

Из рисунков видно:

Во-первых. Тепловые потоки менее 500 Вт/м² могут переноситься человеком продолжительное время.

Такие величины тепловых потоков могут возникать при одном только лучистом нагреве человека от предметов с температурой 40-45ºС. Степень черноты излучающих поверхностей (кирпич, металл, дерево) принимается равной ε=0,9. Проверить это можно, обратившись к формулам (1) и (2).

Во-вторых. Время переносимости человеком тепловых потоков превышающих 500 Вт/м² различно его кожей и телом.

Объяснение этого факта следующее. Кожа человека содержит большое количество терморецепторов и сравнительно небольшое количество кровеносных сосудов. Воздействуя на определенный участок кожи каким-либо сильным источником тепла данный участок кожи не в состоянии быстро отвести от себя это тепло. Механизм потоотделения, охлаждающий человека, запаздывает в виду своей инерционности. А теплопроводность верхнего слоя кожи весьма невелика, так как содержит мало кровеносных сосудов, и кровь не успевает отводить тепло от нагретого участка вглубь тела. Переносимость кожей высоких тепловых нагрузок увеличивается, если разогрев происходит постепенно. Расширенные теплом кровеносные сосуды позволяют увеличить кровоток и тем самым более эффективно отводить к другим органам избыточное тепло.

В-третьих. Тепловые потоки превышающие 2 000 Вт/м² являются для человека критическими с временем переносимости несколько секунд.

Вспомним, что нагретая до 400ºС металлическая печь способна создать поток лучистого тепла более 10 000 Вт/м². Возле такой печи не только не возможно близко находиться, но резко возрастает вероятность получения травм при неосторожном касании печи и возникновения пожара.

Эта же печь, имеющая температуру внешних поверхностей 200ºС, излучает в парную более 2,8 кВт/м² тепла. Даже с учетом того, что человек сам излучает 0,55 кВт тепла, результирующий поток, поступающий на человека от металлической печи, будет более 2 кВт, что относит его к разряду критических (см.Табл.1).

В-четвертых. Время переносимости тепловых потоков 400-1000 Вт/м² может составлять от 40 до 8-10мин, время переносимости тепловых потоков 1000 — 3000 Вт/м² составляет от 10 минут до нескольких секунд.

Окружающую обстановку с тепловыми потоками 500-1000Вт/м² человек пытается создать в русской бане на первом этапе — этапе глубинного прогрева своего организма до начала обильного потоотделения. Затем, на этапе парения вениками, путем поддачи воды на каменку и переводом энергии камней в энергию пара в парной создаются условия для конденсационных режимов пара на коже человека с достижением тепловых потоков до 2000 Вт/м² и более.

Забегая вперед, хотелось бы отметить что тепловые потоки от 500 до 2000 Вт/м² и более гораздо легче получить в банях с кирпичной печью, чем с металлической.

И вот почему.

Кирпичная печь, температура стен которой редко превышает 90ºС, излучает до 900 Вт/м² тепла. Из этого количества лучистого тепла телом человека с площадью поверхности ~1м² будет восприниматься только 440 Вт, что делает его нахождение в таких условиях весьма комфортным и продолжительным. В то же время находящиеся внутри печи раскаленные камни с температурой от 350 до 600ºС (в зависимости от конструкции печи) способны почти мгновенно превратить воду в пар с температурой, равной температуре камней.

Энергия переданная камнями пару будет равняться скрытой теплоте парообразования плюс тепло на увеличение температуры пара от 100ºС до температуры камней, т.е. 350-600 ºС. Для объема парной в 10м³ достаточно испарить немногим больше 0,5 литра воды, чтобы получить конденсационные режимы (область выше хомотермальной кривой).

Как было показано выше при работе веником в метеорежимах, находящихся выше хомотермальной кривой (см.Рис.4), можно резко увеличить поступающие на человека тепловые потоки (до 2000 Вт/м² и более).

В бане с металлической печью гораздо сложнее создать тепловые потоки в таком широком диапазоне от 500 до 2000 Вт/м².

Температура стенок металлических печей, даже защищенных металлическими экранами, как правило, превышает 120ºС. При этом создаваемые лучистые тепловые потоки больше 1,35 кВт/м². А результирующий, воздействующий на человека лучистый поток превышает 800 кВт/м².

К этому додается тепловой конвекционный поток воздуха, нагреваемый стенками печи и открытой каменкой.

Суммарно все эти потоки по величине могут легко превысить 2000 Вт/м². При этом температура в парной, как правило, не бывает меньше 90ºС.

В этих условиях даже небольшая порция воды, поданная на каменку с целью получения пара, оборачивается тем, что в парной устанавливается конденсационный режим (область выше хомотермальной кривой) с температурой конденсата на теле человека равной температуре воздуха в парной, то есть 90ºС.

Мало приятного, не так ли.

Итак, подведем черту.

Выводы.

1) В настоящей статье мы рассмотрели виды механизмов передачи тепла в бане раздетому человеку. Таковыми механизмами являются:

— лучистая теплопередача;

— кондуктивная теплопередача (передача теплопроводностью);

— конвективная теплопередача;

— конденсация паров воды из воздуха на поверхность тела человека.

2) Показано, что все имеющиеся в бане источники лучистого нагрева, в том числе и человек, излучают в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра на длинах волн превышающих 4 мкм.

3) В условиях, характерных для всех видов бань от турецкого хамама (с температурой 40ºС) до суховоздушной сауны (с температурами до 140ºС), на человека с площадью кожных покровов ~1м² могут воздействовать лучистые потоки величиной до 1100 Вт/м².

В условиях русской паровой бани (45-70°С) на человека поступает до 250 Вт/м² лучистого тепла, что делает ее весьма комфортной в режиме предварительного прогрева организма и начала процесса потоотделения.

4) При создании в бане хомотермальных условий, когда в каждом кубометре воздуха находится 50 грамм водяных паров, все составляющие передачи тепла (лучистая, конвективная и кондуктивная) не могут создать обжигающих для человека тепловых потоков. Суммарные тепловые потоки в этих условиях не могут превосходить 1500 Вт/м².

5) Перевод бани в конденсационный режим (при создании концентрации водяных паров в воздухе превышающих 50 г/м²) открывает возможности быстрого получения тепловых потоков, превышающих 2000 Вт/м², и создания условий для кардинального и быстрого изменения теплового воздействия на человека.

6) Для этапа прогрева организма и начала обильного потоотделения для человека наиболее приемлем уровень теплового воздействия 400-1000 Вт/м² с временем переносимости такой тепловой нагрузки от 40 до 10 мин. Для получения кратковременных ощущений на себе толчков обжигающего жара с мытьем в осаждаемом на коже конденсате водяных паров и временем переносимости от нескольких минут до нескольких секунд в парной необходимо создать тепловые потоки более 2000 Вт/м².

Продолжение ЗДЕСЬ.