Теория бань

Исходный абсолютно сухой пористый потолок вначале нагревается точно также, как непористый потолок, поскольку конденсирует (хотя и внутри себя) весь поступающий пар (пунктирные кривые на рисунке 60). Однако, нагревшись до 100 °C, недостаточно увлажнённый потолок способен и дальше сорбировать водяные пары из воздуха в силу гигроскопичности, вследствие чего способен нагреться до температур, несколько выше температуры пара, за счёт продолжения выделения теплоты конденсации сорбируемых паров воды. Такое явление вполне обычно: активированный уголь противогаза ведь тоже способен разогреться до температур более высоких, чем температуры сорбируемого газа. В дальнейшем, увлажнившись до равновесного уровня при повышенной температуре, потолок постепенно остынет до температуры пара 100 °C за счёт теплопроводности (а за счёт теплового излучения ещё ниже). Теперь, задаваясь текущей температурой и влажностью деревянного потолка и определяя текущую абсолютную и относительную влажность воздуха внутри (вблизи) древесины по кривым равновесия (рис. 61 и 62), можно убедиться, что воздух в результате поддачи оказывается не сырым, как в случае непористого потолка, а осушённым (за счёт сухой древесины). Такой воздух попадает под определение «лёгкого пара», введённого нами ранее. Значит сухая древесина в бане действительно обеспечивает при поддаче иные климатические условия, нежели непористые потолки и стены.

Рис. 61. Зависмость равновесной относительной влажности древесины от относительной влажности воздуха при различных температурах, указанных при кривых в градусах Цельсия.

Но деревянные потолки в бане в исходном состоянии никогда не бывают абсолютно сухими. Более того, увлажняясь во время очередной серии поддач и остывая во время парения, потолок в паровой бане постепенно становится перед последующими сериями поддач всё более и более увлажнённым. Динамика предварительно увлажнённого потолка (до относительной влажности 16 %) представлена на рисунке 60 штрих-пунктирными кривыми. Характерной особенностью влажного потолка является промежуточная влажность воздуха между случаями сухого пористого потолка и непористого, что является вполне естественным результатом. Начальная влажность древесины 16 % является уже очень высокой величиной в том смысле, что гигроскопическое осушение воздуха древесиной такой влажности возможно лишь при малых удельных величинах поддач. Тем не менее, это не будет означать, что древесина не сможет увлажниться выше уровня максимальной равновесной влажности. Если температура потолка ниже температуры пара (точки росы влажного воздуха), то конденсат будет выделяться на поверхность пористого материала в виде капелек росы, а затем впитываться в пористый материал (как в «промокашку»), увлажняя его вплоть до 100–200 %-ной относительной влажности. Поэтому приведённое на рисунке 60 повышение относительной влажности древесины при 100 °C до 24 % не является ошибкой, также как последующее снижение относительной влажности древесины при выдержке при 100 °C.

Выбранный для рисунка 60 начальный уровень температуры потолка 0 °C, конечно, является слишком низким для бань: он был выбран произвольно лишь с целью показать, что пар может прогреть даже холодное помещение. Типичная исходная температура потолка на уровне (40–60)°С требует для обеспечения образования «лёгкого пара» исходной относительной влажности потолка (4–8)%. Это может быть обеспечено специальным высушиванием потолка перед процедурой, например, лучистым теплом от очага как в чёрной бане или длительной выдержкой при температуре 60 °C с вентиляцией внешним воздухом (который, как правило, имеет абсолютную влажность не более 0,01-0,02 кг/м³). Вместе с тем, начальная сухость деревянного потолка вовсе не гарантирует получение сухого воздуха при реальных поддачах. Дело в том, что не весь пар попадает на потолок. Кроме того, конденсация паров происходит на быстроувлажняемых поверхностных слоях древесины, а затем влага должна каким-то образом равномерно распределиться по всему объёму древесины. Поэтому поверхностные слои увлажняются быстро, что приводит к быстрой потере древесиной свойств гигроскопичности. Аналогичная ситуация возникает и с температурными характеристиками: поверхность потолка перегревается и теряет способность конденсировать пары воды.

Всё это свидетельствует о том, что помимо сухости потолка должны соблюдаться многие другие условия эффективной работы потолка. Во-первых, желательно иметь развитую поверхность контакта древесины потолка с воздухом: древесина должна быть растрескавшейся или иметь щели, углубления, разрезы искусственного происхождения. Во-вторых, желательно, чтобы древесина хорошо смачивалась водой для быстрого распространения и распределения влаги, для чего необходима обработка древесины гидрофильными поверхностно-активными веществами и исключался бы контакт с гидрофобными (водоотталкивающими) составами. В-третьих, потолок должен быть высокотеплопроводным, например, армирован металлическими элементами (в частности, гвоздями). В-чет-вёртых, несмотря на высокую теплопроводность древесины, сами деревянные потолки должны быть теплоизолированными от внешней среды. В-пятых, процесс поддач должен быть нетороплив и растянут во времени настолько, чтобы температурно-влажностные распределения успевали бы выровняться и в воздухе, и в древесине. В-шестых, потолок должен быть массивным настолько, чтобы заметно не увлажнялся и не перегревался при применяемых величинах поддач. Так деревянный потолок массой 100 кг из брёвен или толстых досок во всяком случае не потеряет своих сорбирующих (поглотительных) свойств при поддачах до 2–3 литров воды. Лёгкие потолки из евровагонки массой 20 кг могут потерять свои сорбирующие свойства уже при поддачах порядка полулитра воды. Потолок в виде простыни с типичной массой, к примеру, полкилограмма даже при поддаче всего 40 граммов воды нагреется от 0 °C до 100 °C и превратит баню в паровую сауну, в которой жарко, но париться веником нельзя, поскольку пара хватит лишь на 2–3 взмаха веника.

В заключение напомним, что приведённые зависимости равновесной влажности древесины относятся к пропитке дистиллированной водой (росой). Пропитка же древесины сахаром с последующим нагреванием (карамелизацией) снижает равновесную влажность древесины вдвое. Пропитка поваренной солью, наоборот, повышает равновесную влажность древесины: поэтому деревянные бочки для засолки огурцов всегда мокрые снаружи. Это значит, что пропитка потолка солью сделает его более влажным. Но если потолок специально сушить перед поддачей, то «солёный» потолок позволяет получить в бане при поддачах более «лёгкий пар». Так, над насыщенным раствором хлорида натрия при 100 °C воздух имеет относительную влажность 77 %. Поэтому и солёный пот с кожи испаряется хуже, чем чистая вода, а смесь мёда с солью хорошо распаривает кожу в банях особенно в сухих (типа саун).

7.9. Парогенерация и парение

Оценим, на какое время и на сколько взмахов веника хватит пара в бане при парении. Это время определяется, с одной стороны, влагоёмкостью и теплоёмкостью системы воздух-потолок (в том числе и скоростью генерации пара), а с другой стороны — скоростью потребления пара при конкретном виде парения. Наиболее экономным является парение методом поддач при неподвижном положении тела. При мощности теплоотдачи печи 2 кВт характерное время парения в нашем случае составит около 5 минут, но может быть много большим при полной неподвижности воздуха и много меньшим при использовании веника. Достаточно экономным может быть метод парения мокрым веником, поскольку нагрев его у потолка может вестись без существенных перемещений воздуха. При хлестаниях же, а также при парении веником как опахалом потери пара могут оказаться очень большими, так как громадные массы горячего влажного воздуха проходят мимо тела человека на холодный пол и именно там выделяют скрытую теплоту конденсации водяных паров, а не на теле человека. Один взмах веника перемещает более 0,5 м³ горячего влажного воздуха от потолка вниз, и лишь одна восьмидесятая доля тепла конденсации выделится на теле человека (см. раздел 5.7). Иными словами, для того, чтобы обеспечить один взмах веника, необходимо истратить и подать к потолку более 50 г водяного пара. Причём один взмах посылает на пол более 100 кДж тепла в то время как на прогрев мокрого веника уходит в среднем (20–40) кДж. Становится совершенно ясным, что париться веником как опахалом в самых обычных маленьких парилках (объёмом порядка 10 м³) садовых бань абсолютно невозможно: два-три взмаха посадят пар на пол. Парение веником как опахалом возможно лишь в просторных и высоких парилках городских бань, причём желательно не допускать потоки горячего влажного воздуха на холодный пол, а поэтому парятся на широких деревянных площадках (полках, эстакадах), приподнятых над полом.

Всё это означает, что разные приёмы парения требуют различных способов увлажнения воздуха, в частности различных типов банных потолков. И, наоборот, каждая конструкция бани пригодна лишь для определённых приёмов парения. Об этом часто забывают в современной банной литературе и тем самым теряют способность объяснить, зачем вообще использовался веник и когда он мог использоваться. Дело в том, что бытующие ныне крайне упрощённые банные представления базируются на продвинутых (ранее неведомых) понятиях метеорологической обстановки в зоне нахождения человека. Так, если в бане температура 100 °C, а относительная влажность воздуха 5 %, то это считается сухой сауной. Но человек, помещённый в такую метеозону, тотчас охлаждает воздух вокруг себя своим телом и увлажняет воздух своим потом. Чтобы поддерживать метеопараметры в заданных пределах надо как-то подогревать воздух около тела человека и одновременно осушать его. Это означает, что человек должен находиться в потоке воздуха, и этот поток воздуха должен поддерживаться постоянно то ли веником, то ли печью, то ли вентилятором. Но та же задача удержания метеопараметров воздуха около человека может быть решена и в неподвижном воздухе с помощью диффузионных механизмов путём поддержания стен сауны при повышенной температуре, но при пониженной абсолютной влажности воздуха. Это значит, что сухая сауна может мыслиться совершенно по-разному, и париться в сауне можно по-раз-ному, в зависимости от конструктивных особенностей, оговаривать которые совершенно необходимо для правильного понимания физики процесса.

Рис. 62. Схема образования парового слоя у потолка бани, изготовленного из непористого материала. Слева — распределение температуры стен по высоте бани: 1 — исходное, 2 — после первой серии поддач, 3 — после второй серии поддач, 4 — пар, истекающий из каменки и имеющий температуру у потолка, равную условно 100 °C, 5 — полки, Н — высота потолка над верхней полкой.

Точно также режим паровой бани, например, с температурой 70 °C и относительной влажностью воздуха 50 % (с абсолютной влажностью воздуха 0,1 кг/м³) можно поддерживать по-разному, причём значительно более разнообразней, чем режим сухой сауны. Это и метод циркуляционной паровой сауны (чёрной бани), и метод поддач в условно неподвижный воздух белой бани, и метод диффузионного увлажнения от горячих мокрых стен в неподвижном воздухе, и метод парения в потоке воздуха от веника и т. д. Не все эти методы используются на практике, а только те, которые легче реализовать конструктивно, а ещё точнее те, которые сами по себе реализуются в случайно выбранной (по разумению строителя) конструкции. Все конструктивные особенности рассмотреть невозможно (поскольку их сотни и тысячи), поэтому поясним мысль на простейших примерах, частично встречавшихся ранее, но в другом ракурсе.

Рассмотрим две белые хорошо просушенные и проветренные бани с одинаковыми размерами, с одинаковыми печами каменками. Только у одной бани стены и потолки по-деревенски массивные бревенчатые, а в другой брёвна изнутри по-современному утеплены минватой и облицованы малотеплоёмким покрытием — тонкой сталью, фольгой, поликарбонатным пластиком или тонкой вагонкой (как в сауне). Плеснём, например, по одному литру воды в каменки обеих бань. В случае бревенчатых стен получим лишь кратковременный всплеск температуры и влажности воздуха, после чего всё тепло и влага пара уйдёт в брёвна: баня явно «не держит пар», хотя потоков воздуха, как в саунах, нет. В случае же малотеплоёмких стен и потолков температура потолка и воздуха быстро подскакивает до 100 °C и удерживается на этом уровне («баня держит пар»). Однако, мнение о том, что «баня держит пар» оказывается очень условным: стоит махнуть веником или пройтись по бане, телом «расталкивая воздух», или организовать упорядоченную вентиляцию или циркуляцию (как в сауне), тотчас «пар» исчезает, потому что его мало, а потолок хоть и горячий, но малотеплоёмкий и быстро остывает. Таким образом, в бане с утеплёнными малотеплоёмкими потолками при малых поддачах можно париться лишь «методами поддач», неподвижно сидя на полке. Такой случай реализуется в современных саунах, если в них заменить традиционную металлическую печь с открытой каменкой на теплоизолированную закрытую каменку в термосе, то есть если устранить упорядоченные воздушные потоки.

Рис. 63. Плотность абсолютно сухого воздуха (1) и максимально увлажнённого (сырого) воздуха со 100 %-ной относительной влажностью (2). Рисунок на графике показывает, что образующийся над каплей воды 3 лёгкий влажный воздух 4 всплывает вверх, а вместо него подсасывается тяжёлый сухой воздух 5 (схема образования циклона над морской поверхностью).

Если в каменки обеих бань плеснуть ещё воды, например, ещё по одному литру, то картина изменится. Теперь бревенчатый потолок уже прогрелся, но пара у потолка пока мало, так как пар поглотился гигроскопической древесиной потолка и стал слишком «лёгким». Можно погреться, лёжа на полке и даже слегка обмахиваясь веником, поскольку горячий потолок массивный и быстро остывать не может. Но прогреть мокрый веник у потолка не удаётся, поскольку воздух сухой, и веник охлаждается за счёт испарения воды с листьев. Что касается бани с малотеплоёмким потолком, то пар, выделившийся из каменки при поддаче, уже не может конденсироваться на горячем потолке (поскольку его температура уже выше 100 °C) и образует у потолка всё более возрастающий по толщине слой практически чистого пара (рис. 62). При отсутствии движения воздуха паровой слой вполне устойчив, поскольку плотность влажного воздуха ниже, чем сухого (рис. 63). Поскольку в рядовых дачных банях высота Н от полка до потолка редко когда намного превышает 1 метр (то есть лишь бы сидеть, не стукаясь головой о потолок), то появление ошпаривающего парового слоя, практически непереносимого, означает, что париться уже методом поддач становится невозможно. Чаще всего паровой слой сразу же «разгоняют» веником и «сажают на пол», поскольку чистый пар при 100 °C это фактически кипяток и даже при малых количествах означает ожог тела. При взмахах веника паровой слой разрушается и тотчас исчезает, так как восстанавливаться и подпитываться в случае непористого потолка он может только от каменки.

Если в бане с массивным бревенчатым потолком поддать ещё раз, то потолок прогреется до 70–90 °C и увлажнится, к примеру, так, чтобы влажность воздуха достигла 50–60 %. В этом режиме «лёгкого пара» можно и просто греться, и париться веником как опахалом, и хлестаться, причём потери пара при парении тотчас компенсируются испарением влаги с потолка. В то же время следует отметить, в сухом «лёгком паре» прогреть веник не удаётся из-за сильного испарительного охлаждения. Поэтому парение методом хлестания с нагревом веника у потолка возможно лишь в случае «тяжёлого жгучего пара», то есть при ещё более влажном (а лучше искусственно предельно увлажнённом) потолке. «Лёгкий пар» и нагрев веника — это понятия совместимые лишь при относительно низких температурах до 60–70 °C (рис. 56, 64), когда нагрев веника чрезвычайно длителен.