дисперсионный пар для бани

Ладно против всех законов драматургии продолжу с развязки: вы все говорите понятиями устойчивой равновесной и выстояышейся системы, а где вы такую в бане видали? Если чайник нагреть до 100°, то и при нормальном давлении он враз не выкипит –нужно продолжать подводить энергию для компенсации затраченной на испарение – процесс выкипания растянется во времени.. На диссоциацию аэрозоля и конденсацию росы тоже надо время в течении которого будут поддерживаться энергетические потоки, приводящие к испарению, диссоциации, конденсации. А глянув на пространство бани можем увидеть, что при некоторых условиях в углу у печки, к примеру, идет диссоциация (или как ее обозвать) аэрозоли на молекулы, то в противоположном углу у двери или вытяжки под полоко вполне могет появиться туман (очень наглядно наблюдал это у ВВН, когда Марат шайками подкидывал). А значит мы должны уже: 1.говорить не о том что при таких то условиях аэрозоль стоновится газом и наоборот, а внести это все под математический знак предела и говорить что при таких условиях аэрозоль стремится стать газом (и наоборот), причем чем сильнее смена температур и давления в исследуемой точке во времени –тем быстрее стремиться, но подразумевать что процесс растянут во времени и при конкретных условиях в парной достаточно долго (минуты и даже их десятки при холодных стенах, холодной печи, и режимах левой части хомотермальной кривой Хошева) пар, стремясь стать легким может оставаться тяжелым и мокрым! (можете упоминать мелко и крупнодисперсным –имхо без разницы)
2. Одновременно в пределах парной могут сложиться условия как к дисоциации, так и для конденсации и тогда мы получим движение жидкости, правда не циклическое, как с конвекцией, а вовсе наоборот (лавинный эфект), т,к легкий пар будет подниматься выше, где скорее всего обеспечены условия дальнейшей диссоциации, а тяжелый наоборот идет вниз, где скорее всего сконденсируется на пол. Вот вам, кстати, и пресловутый Рамуносовский «выхлоп» он же отработанный, он же тяжелый пар у пола..

Использование материалов с обязательной ссылкой на форум «Русская баня».

Источник

Строим русскую баню по уму

Что такое — «легкий пар» и как его получить в парной русской бани?

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:

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 Т_н при данном давлении P_п. 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>Т_н) 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

0,9%, углекислого газа CO₂

0,03%, неона Ne, метана CH₄, гелия He, криптона Kr, водорода Н₂ и ксенона Xe суммарно плотности насыщенного пара d=d_н=d₀ кг/м³ от температуры воздуха T,ºC. На этом же рисунке пунктирной кривой изображена зависимость давления насыщенного водяного пара р=р_н=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=р_н=р₀, которое получило название давления насыщенного водяного пара.

Величины р _п и р_н связаны между собой зависимостью:

р _п = φ * р_н, (2)

где φ – относительная влажность воздуха, %.

Значения парциального давления насыщенного водяного пара р_н в зависимости от температуры являются табличными данными, но могут быть и рассчитаны по формуле:

р_н = exp ((16,57T-115,2)/(233,77-0,997T)), кПа (3)

где Т – температура,ºС.

Температура Т=Т_р=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 Т_рºС, при которой выпадает конденсат из воздуха заданной влажности d₀ г/м³.

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

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.

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).

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».

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 t_р,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

Источник