Теория бань

При радиусе капилляра r= 100 нм=0,1 мкм давление насыщенного пара снижается всего на 1 %, а при r=1 нм=0,001 мкм уже в два раза. Несмотря на столь малые размеры капилляров, их в древесине много: при заполнении всех таких капилляров водой относительная влажность древесины составит примерно 30 % (предел гигроскопичности). Вода в микрокапиллярах называется связанной. Температура замерзания связанной влаги составляет минус 1 °C при относительной влажности древе-

При радиусе капилляра г= 100 нм=0Д мкм давление насыщенного пара снижается всего на 1 %, а при г=1 нм=0,001 мкм уже в два раза. Несмотря на столь малые размеры капилляров, их в древесине много: при заполнении всех таких капилляров водой относительная влажность древесины составит примерно 30 % (предел гигроскопичности). Вода в микрокапиллярах называется связанной. Температура замерзания связанной влаги составляет минус 1 °C при относительной влажности древесины 25 % и минус 70 °C при относительной влажности древесины менее 1 % (то есть последние остаточные следовые количества воды сохраняются в самых мелких капиллярах). Свойство гигроскопичности древесины иллюстрируется широко известными диаграммами равновесной влажности древесины (рис. 57, 58, 59). Если через слой опилок продувать постоянно воздух с фиксированной температурой и с фиксированной влажностью, то мелкоизмельчённая древесина рано или поздно увлажнится или осушится до вполне определённой равновесной относительной влажности. И, наоборот, если через слой мелкоизмельчённой древесины продувать воздух с любой влажностью, то при определённой температуре (воздуха и древесины) будет достигнута вполне определённая равновесная относительная влажность воздуха, не зависящая от того, высушен ли был воздух до контакта с опилками или увлажнён. Относительная влажность древесины характеризуется отношением массы воды (влаги) в древесине (в частности, массы пара, поглощенного древесиной) к массе древесины в абсолютно сухом состоянии и выражается в процентах. Неизмельчённая (компактная) древесина обладает точно такими же свойствами гигроскопичности, но высушивается и увлажняется более медленно, что необходимо учитывать при анализе быстропротекающих процессов, например, в момент поддачи (П.С. Серговский, А.И. Расев, Гидротермическая обработка и консервирование древесины, М.: Лесная промышленность, 1987 г.; И.В. Кречетов, Сушка древесины, М.: Лесная промышленность, 1980 г.).

Рис. 57. Зависимость равновесной относительной влажности древесины от абсолютной влажности воздуха при различных температурах: 1 — 20 °C, 2 — 30 °C, 3 — 40 °C, 4 — 50 °C, 5 — 60 °C, 6 — 70 °C, 7 -80 °C. Абсолютно сухая древесина может быть получена в абсолютно сухом воздухе только при 100 °C и выше.

Кривые гигроскопичности древесины можно строить в разных координатах, что позволяет наглядно и документально анализировать различные конкретные следствия. Например, из рис. 57 однозначно следует, что при температуре древесины 60 °C (кривая 5) абсолютная влажность воздуха внутри (вблизи) древесины порядка 0,12 кг/м³ может быть достигнута лишь при относительном увлажнении древесины до относительной влажности не менее 20–30 %, то есть при влажной древесине. Поскольку значение 0,13 кг/м³ соответствует насыщенному водяному пару при температуре 60 °C (сырому воздуху), то кривые на рисунке 57 означают, что сырой воздух внутри (вблизи) древесины может быть получен лишь при сырой (до предела увлажнённой) древесине.

Рис. 58. Зависимость равновесной относительной влажности древесины от температуры при различных абсолютных влажностях воздуха: 1 — абсолютная влажность воздуха 0,005 кг/м³, 2 — 0,017 кг/м³, 3–0,050 кг/м³, 4–0,13 кг/м³, 5 — 0,29 кг/м³.

Например, предположим, что баня протоплена до температуры потолка 60 °C, воздух в бане увлажнён дыханием людей до абсолютной влажности 0,05 кг/м³. Из рисунка 57 следует, что деревянный потолок в этом хомотермальном режиме имеет относительную влажность 6,6 %. При массе деревянного потолка условно 100 кг (а реальная масса бревенчатых потолков может быть ещё больше) количество влаги в потолке составляет 6,6 кг. Теперь увлажним воздух, вылив в каменку 0,4 кг воды и направив струю пара к потолку. Если бы потолок был непористым (стальным), то воздух у потолка сначала увлажнился бы до абсолютной влажности 0,13 кг/м³, и лишь потом избыточные количества пара сконденсировались бы на потолке в виде капель, которые затем упали бы вниз на пол. Но деревянный потолок, являясь пористым, гигроскопически сконденсирует (не дожидаясь подъёма абсолютной влажности воздуха до 0,13 кг/м³) и поглотит весь пар, выпущенный из каменки. При этом количество влаги в потолке достигнет 7 кг, а относительная влажность древесины потолка повысится до 7,0 %. Температура потолка увеличится за счёт теплоты конденсации пара до 65 °C. Из рисунка 57 следует, что абсолютная влажность воздуха у деревянного потолка (с температурой 65 °C и относительной влажностью 7 %) действительно повысится не до 0,13 кг/м³, а лишь до 0,07 кг/м³. Конечно, процесс поглощения потолком влаги из воздуха может быть растянут по времени, и на какой-то ограниченный период времени абсолютная влажность воздуха в бане может кратковременно стать значительной (более 0,1 кг/м³). Но факт остаётся фактом: чтобы увлажнить воздух в деревянной бане, потребуется испарить в каменке воды больше, чем 0,4 кг.

Рис. 59. Зависимость равновесной относительной влажности воздуха над древесиной от температуры воздуха при различных относительных влажностях древесины: 1 — относительная влажность древесины 25 %, 2 — 20 %, 3 -15 %, 4 — 10 %, 5–7%, 6 — 5 %, 7 — 3 %.

Плеснём в каменку ещё 0,4 кг воды и вновь направим струю пара вверх к потолку. Относительная влажность древесины повысится до 7,4 %, температура потолка до 70 °C, а абсолютная влажность воздуха около потолка до 0,10 кг/м³. И только третья (а может быть, даже четвёртая или пятая) поддача поднимет абсолютную влажность воздуха у потолка до требуемого уровня порядка 0,12 кг/м³ и выше. При этом температура потолка (и воздуха у потолка) достигает 75 °C (или выше), а значит воздух и после многих поддач не станет сырым.

Становится ясным, что для увлажнения воздуха в деревянной бане требуется увлажнить ещё и потолок (стены) бани. Причём для увлажнения потолка (стен) потребуется намного больше воды (пара), чем для увлажнения самого воздуха в бане. Поэтому иногда для того, чтобы сделать баню более влажной (а значит, более жаркой, жгучей) потолок (стены, полки) в бане предварительно «моют», то есть обливают (увлажняют) горячей водой (кипятком) или пропаривают из шланга, и только затем льют воду в каменку. Такой приём зачастую затруднителен технически при отсутствии специального оборудования (напорного водогрейного или парового котла, горячего водопровода, шлангов и распылителей), а тем более при отсутствии знаний, навыков и понимания процессов. Поэтому традиционно бесхитростно применяют многократные поддачи на каменку. При этом необходимо сделать так, чтобы пар не охлаждаясь, попал на потолок и только там сконденсировался. Фактически в воздухе бани от дверки каменки до потолка образуется невидимый горячий вертикальный газовый канал, имитирующий шланг с острым магистральным паром, так широко применяемым для пропарки оборудования и который, конечно же, был бы вполне пригоден для пропарки (нагрева и увлажнения) потолков в русских банях.

Анализ кривых гигроскопичности (рис. 57) показывает, что получить высокие абсолютные влажности у потолка бани можно как путём нагрева потолка, так и путём его увлажнения. Так, например, абсолютную влажность 0,12 кг/м³ можно получить вообще без нагрева потолка (то есть сохраняя его температуру на уровне 60 °C), только увлажнив потолок двадцатью-тридцатью литрами горячей воды (при массе сухого потолка 100 кг). С другой стороны, можно вообще не увлажнять потолок, только достаточно быстро поднять его температуру с 60 °C до 80 °C. Поэтому на практике приходится решать вопрос, что легче — нагреть или увлажнить потолок в данной конструкции бани. В рассматриваемой нами белой бане с кирпичной печью вопрос решается однозначно: греть кроме как паром из каменки, нечем. Поэтому применяется метод одновременного увлажнения и нагрева путём поддач.

Вместе с тем, при всей своей кажущейся экстравагантности процесс увлажнения воздуха за счёт нагрева влажного потолка происходит во всех банях, по крайней мере, при их протопке. Действительно, за время длительного простоя бани в холодном нерабочем состоянии при температуре, например, 20 °C и при нормальной относительной влажности воздуха 50 % древесина приобретает относительную влажность 10 %. Если затем баню прогреть до 60 °C, то древесина потолка, нагреваясь, увлажнит вокруг себя воздух до высоких степеней влажности. Иными словами, баня без всяких специальных увлажнений при протопке создаёт внутри себя высоковлажный режим паровой бани. Откуда берётся вода, увлажняющая воздух? При нагреве древесина начинает сохнуть и увлажняет воздух. Точно такой же процесс имеет место в сушильных камерах, в том числе стиральных и посудомоечных машин. В бытовой климатологии этот процесс увлажнения воздуха за счёт сушки древесины иногда трактуют в рамках теории «дышащей древесины». Согласно этой теории древесина поддерживает относительную влажность воздуха в помещении на неизменном уровне. Действительно, при фиксированной влажности древесины равновесная относительная влажность воздуха весьма слабо зависит (но всё же зависит) от температуры (рис. 59), что положено в основу работы гигрометров. Ну а неизменность относительной влажности воздуха при его нагреве означает, что его абсолютная влажность быстро растёт. Фактически на принципе увлажнения воздуха за счёт нагрева воды основаны все финские кипятильники-парогенераторы (в том числе и для саун), а на принципе увлажнения воздуха за счёт нагрева влажной древесины могут быть созданы генераторы «лёгкого пара» для русских бань.

Возвращаясь к процессу увлажнения воздуха методом поддач, выясним, как влияет масса потолка на характеристики бани. Казалось бы, массивный потолок нагреть очень трудно, и при поддачах он будет не столько нагреваться, сколько увлажняться. Но в то же время ясно, что массивный деревянный потолок для своего увлажнения потребует большого количества пара, и потому процессы нагрева могут оказаться существенными. Введём понятие удельной величины поддач, равной процентному отношению массы испарённой (вылитой на каменку) воды m к массе потолка М. Если весь пар подаётся на потолок и там конденсируется, то удельная величина поддачи равна увеличению относительной влажности древесины потолка w(%)=100 m/М. Увеличение температуры потолка (всё равно какого: сухого, сырого, пористого или непористого, лишь бы он имел теплоёмкость древесины) при этом за счёт выделения скрытой теплоты конденсации равно Т=(С_исп/С_р)w/100, где С_исп⁼0,63 кВт час/кг — теплота конденсации водяного пара, С_р = 5 10^{– 4} кВт час/(кг. град.) — теплоёмкость древесины. Таким образом из полученного соотношения Т=12,6 w следует поразительный результат: увлажнение древесины потолка паром всего на 4 % приводит к нагреву потолка на 50 °C. Это означает, что при исходной температуре потолка (до поддачи) 60 °C удельная величина поддачи w=4 % влечёт за собой подъём температуры потолка до 110 °C и фактическую невозможность дальнейшего увлажнения потолка.

Рис. 60. Динамика изменения относительной влажности древесины потолка \у, температуры потолка Т, абсолютной влажности воздуха внутри (вблизи) древесины потолка с1, относительной влажности воздуха внутри (вблизи) древесины потолка ф в ходе увеличения удельной величины поддачи ш/М, где ш — масса испарённой воды в каменке и поглощённой (сконденсированной) потолком, М — масса потолка. 1 — непористый потолок (металлический, пластиковый, крашеный и т. п.), 2 — потолок деревянный гигроскопический с начальной нулевой влажностью, 3 — потолок деревянный с начальной относительной влажностью 16 %. Исходная температура потолка 0 °C, температура пара 100 °C.

Численный анализ динамики нагрева и увлажнения потолка при поддачах проведём для потолка в абсолютно сухом исходном состоянии w₀=0 при начальной температуре 0 °C. Как и прежде, будем считать, что пар подаётся непосредственно на потолок, причём температуру пара примем равной 100 °C. За базу примем непористый потолок (сплошные линии на рисунке 60), который, естественно, не увлажняется, конденсирует пар с образованием капель росы, падающих на пол. Температура непористого потолка монотонно растёт до 100 °C, а затем остаётся постоянной, поскольку непористый потолок не может нагреваться выше температуры пара (а поступающий пар начинает нагревать стены). Этот случай аналогичен нагреву кастрюли с водой. Относительная влажность воздуха у потолка (крышки кастрюли) равна 100 % постоянно, поскольку на потолке висят капли воды с температурой, равной температуре потолка. Абсолютная влажность воздуха растёт, оставаясь равной плотности насыщенного пара при текущей температуре потолка. Это значит, что воздух у непористого потолка сырой всегда на всех точках сплошных кривых на рисунке 60.