Процессы лучистого нагрева

В земной атмосфере воздушную метеообстановку дополняет наличие излучения Солнца, которое может кардинально изменить впечатление человека о погоде. Так и в бане на климатические параметры накладывается влияние теплового излучения от нагретых стенок печи, потолка, стен, излучателей.

Рис. 38. Спектральный состав излучения Солнца в относительных единицах: 1 – до прохождения атмосферы, 2 – после прохождения атмосферы с учётом поглощения компонентами атмосферы. Длина волны 1 мкм (микрометр, микрон) равна одной тысячной миллиметра (мм) и одной миллионной метра (м). Иногда микрон обозначается как 1 мк. Тысячная доля микрона называется миллимикроном 1 ммк (или нанометром 1 нм=1 ммк), который в свою очередь равен десяти ангстремам (1 А=10^‑10м).

Тепловое излучение (называемое также инфракрасным излучением, лучистым нагревом, лучистой теплопередачей, лучистым теплопереносом, радиационной составляющей теплового потока и т. п.) представляет собой электромагнитное излучение светового диапазона (называемого также светом, световой радиацией, световыми лучами, световым излучением, световыми волнами, квантами и т. п.). Световой диапазон волн 10^‑8‑ 10^‑4 метров (от 0,01 мкм до 100 мкм) располагается между диапазоном радиоволн и диапазоном рентгеновских волн и отличается тем, что поглощается биологическими тканями с выделением тепла. Световой диапазон в свою очередь подразделяется на ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,4 мкм (0,315‑0,400 мкм А‑диапазон; 0,28‑0,315 мкм В‑диапазон; 0,200‑0,280 мкм С‑диапазон, менее 0,2 мкм – вакуумный ультрафиолет), видимые лучи (фиолетовые 0,40‑0,42 мкм, синие 0,42‑0,49 мкм, зелёные 0,49‑0,53 мкм, жёлтые 0,53‑0,59 мкм, оранжевые 0,59‑0,65 мкм, красные 0,65‑0,75 мкм) и инфракрасные лучи с длиной волны более 0,75 мкм (0,75‑1,5 мкм А‑диапазон; 1,5–3,0 мкм В‑диапазон; более 3,0 мкм С‑диа‑пазон). На рис. 38 представлен спектральный состав излучения Солнца, охватывающий и ультрафиолетовые, и видимые, и инфракрасные лучи. Излучение Солнца по спектральному составу близко к излучению абсолютно чёрного тела при температуре 5600 °C. Столь высоких температур в бане не бывает: высокоинтенсивные источники света типа софитов имеют температуру порядка 3000 °C, обычные лампочки накаливания 2000 °C, раскалённые угли в печи 1500 °C, внутренние стенки топливника кирпичной печи 1000 °C, стенки металлической печи 500 °C, внешние стенки топливника кирпичной печи 100 °C. Спектральный состав излучения поверхностей аналогичен составу излучения абсолютно чёрного тела (рис. 39) с поправкой на степень черноты поверхности. С уменьшением температуры излучающей поверхности очень быстро уменьшается общая мощность излучения (теплоотдача излучением), равная площади под кривой Планка W=εσ(Т+273)⁴, где σ=5,67 х 10^‑8Вт/(м²град⁴) – постоянная Стефана‑Больцмана, (Т+273) – абсолютная температура в градусах Кельвина, Т – температура в градусах Цельсия (рис. 40). Кроме того, с уменьшением температуры излучающей поверхности спектральный состав излучения сдвигается в сторону инфракрасного излучения, и потому всё меньшая доля приходится на видимый диапазон. Максимум (пик) спектральной зависимости мощности излучения В_λ (кривой Планка) приходится по закону Вина на длину волны λ_max(мкм) = 2898/(Т+273), где Т – температура в градусах Цельсия °С. Если площадь под кривой Планка принять равной 100 %, то площадь под восходящей ветвью λ,<λ,_мах составит 25 %, а под нисходящей λ,>λ,мах составит 75 % суммарной площади.

Рис. 39. Спектральный состав излучения абсолютно чёрного тела (кривая Планка) при различных температурах, указанных у кривых. Спектральный интервал V соответствует видимому диапазону. Спектральный интервал А соответствует ближнему диапазону инфракрасного излучения (А‑диапазон 0,75‑1,5 мкм).

Рис. 40. Полная (интегральная по спектру) теплоотдача абсолютно чёрной поверхности с температурами 0‑400 °C во внешнюю среду с температурой 0 °C: 1 – инфракрасным излучением, 2 – теплопроводностью (кондуктивной теплопередачей). Мощность инфракрасного излучения [σ(273+Т)⁴ – σ 273⁴], является суммарной по всему спектру излучения в полное полупространство (во все стороны).

В результате с уменьшением температуры свечение раскалённой поверхности из ослепительно белого становится красным, а потом невидимым:

Таким образом, появление заметного видимого свечения поверхности, соответствующее температуре порядка 500 °C, уже отвечает мощностям теплового излучения порядка 20 кВт/м². Такая величина теплового потока является порогом воспламеняемости наиболее легко воспламеняемой группы В3 горючих материалов по ГОСТ 30402‑96. То есть появление видимого свечения поверхности, например печей, может свидетельствовать не только о возможности травматических последствий касания, но и об опасности возникновения пожара в помещении, в том числе за счёт воспламенения материалов, даже не касающихся нагретых поверхностей. Все знают, как горячо стоять у раскалённой печки‑«буржуйки» или у сильно разгоревшегося костра. Поэтому в целях безопасности для нагрева помещения предпочитают использовать инфракрасные излучатели с как можно более низкой температурой излучающей поверхности. Но меньшая мощность излучения низкотемпературных излучателей приводит к необходимости использования больших площадей излучателей для обеспечения заданного уровня теплоотдачи. С этой точки зрения инфракрасными излучателями в оптимальном случае должны быть сами поверхности стен и потолка помещения. В этом смысле поступающее со всех сторон на тело человека инфракрасное излучение создаёт ощущение обычного тепла (как от тёплого воздуха) и ассоциируется в быту с более тёплыми метеорологическими условиями.

Наиболее знакомый для человека уровень мощности инфракрасного излучения – солнечная постоянная 1,4 кВт/м², равная интенсивности солнечного излучения, достигающего орбиты Земли. При прохождении через земную атмосферу солнечное излучение ослабляется на 20 % за счёт поглощения молекулами кислорода, азота, углекислого газа, воды и озона и ещё на 40 % за счёт пыли и дыма (рис. 38). В утренние и вечерние часы путь прохождения лучей в атмосфере очень сильно увеличивается, что приводит к ещё большему ослаблению интенсивности солнечного излучения на уровне моря. Таким образом, в полдень характерный уровень интенсивности солнечного излучения может достигать 1 кВт/м² в горах и тропиках и 0,5 кВт/м² в средней полосе России. Эта величина относится к плоскости, ориентированной строго на Солнце, и не зависит от времени года. С учётом наклона Солнца над горизонтом на садовый участок площадью 6 соток даже зимой в солнечный день поступает до 100 кВт солнечной энергии в полдень. Эта пиковая полуденная величина летом ещё более возрастает до 150 кВт и является основой жизни.

Тепловое воздействие прямого солнечного излучения отчётливо ощущается человеком и может привести к тепловому (солнечному) удару уже при температурах 25–30 °C. Это свидетельствует о том, что тепловые потоки 0,5–1 кВт/м² и в бане могут оказать определяющее влияние на тепловой режим человеческого организма. Человек одинаково воспринимает воздействие теплового излучения при сухой и мокрой коже. Что касается нагрева «неживых» материалов, то солнечное излучение способно раскалить, например, песок на пляже или в пустыне до температур порядка 100 °C. Действительно, подъём температуры доски на солнце продолжается до тех пор, пока теплоотвод от поверхности доски за счёт собственного излучения доски и кондуктивного охлаждения (см. рис. 40) не сравняется с мощностью падающего солнечного излучения порядка 1 кВт/м², что и происходит при температурах порядка 100 °C. С другой стороны, температура потолка в бане на уровне 100 °C обеспечивает мощность инфракрасного излучения на уровне обычных в России мощностей солнечного излучения.

Инфракрасное излучение практически не поглощается воздухом в слоях 2‑10 м, характерных для бань, и не разогревает его, распространяется прямолинейно и поступает из излучателя непосредственно на стены, пол, потолок, разогревая их. «Управлять» мощностью инфракрасного излучения можно только регулируя температуру излучателя, а также устанавливая на пути излучения различного рода экраны. Такими экранами окружают, например, раскалённые металлические стенки топливников печей (в виде кожухов‑калориферов), загораживают особо холодные стены портьерами, ширмами и т. п.

Рис. 41. Спектральная зависимость коэффициента отражения оптического излучения кожей человека. V – спектральный интервал видимого излучения, А – спектральный интервал А‑диапазона инфракрасного излучения.

Инфракрасное излучение исходит и от тела человека, охлаждая его. Поскольку инфракрасное излучение при температурах ниже 100 °C является длинноволновым (λ>3 мкм), для которого степень черноты кожи человека (а также древесины) близка к единице ε=1‑R~=1 (где R – коэффициент отражения, приведённый на рис. 41), то мощность излучения тела человека (и древесины) близка к мощности излучения абсолютно чёрного тела (рис. 42). Все рассуждения предыдущих разделов относились к случаю отсутствия инфракрасного нагрева или охлаждения тела человека, то есть предполагалось, что стены бани (или иного помещения) имеют температуру человеческого тела порядка 40 °C. Но если стены бани имеют температуру большую или меньшую, чем температура тела человека, то тело человека дополнительно нагревается или охлаждается.

Рис. 42. Мощность инфракрасного излучения (интегральная по всему спектру) с 1 м² абсолютно чёрного тела во все стороны (в полупространство) при температурах от 0 до 100 °C: 1 – рассчитанная по формуле σ(273+Т)⁴, 2 – экстраполяционная прямая 0,54+0,007(Т‑40), где Т в °С.

При слабых (до 20 °C) бытовых отклонениях температур стен от температуры человека ΔТ<20 °C тело отдаёт или получает лучистое тепло в количестве q_лyч=α_лΔТ, где α_л =7 Вт/(м² град) – коэффициент бытовой лучистой теплопередачи (рис. 42). При температурах 60‑120 °C коэффициент лучистой теплопередачи возрастает до 10 Вт/(м² град). При температуре стен помещения порядка 0 °C раздетый человек даже с сухой кожей отчётливо ощущает «леденящий холод стен» даже при температурах воздуха 40 °C и максимальной влажности воздуха, поскольку теряет за счёт собственного инфракрасного излучения 0,5 Вт/м², а получает за счёт поглощения инфракрасного излучения, исходящего от холодных стен, всего 0,3 Вт/м². В результате суммарный баланс отрицателен и очень велик 0,2 Вт/м². Для компенсации столь высоких теплопотерь необходимо поднять температуру воздуха в помещении на 20–30 °C, то есть до 60–70 °C. Если же температуры стен и потолка составляют 100 °C, то суммарный тепловой баланс (по лучистому теплу) раздетого человека с сухой кожей будет положительным 0,5 Вт/м², и воздух можно охладить до минус 10 °C.

В обыденной жизни человек отчётливо ощущает изменения лучистых потоков при изменениях температуры стен всего в несколько градусов (при постоянстве температуры воздуха). Так, строительные нормы и правила СНиП 41‑01‑2003 рекомендуют не использовать на постоянных рабочих местах в промышленных производствах потоки лучистого тепла более 35 Вт/м², что соответствует наличию излучающих поверхностей с температурой на 5 °C выше температуры человека. А при величинах лучистого потока более 140 Вт/м² необходимо применять воздушное душирование (обдув открытых частей тела человека воздухом). Если человека окружают излучающие поверхности с разной температурой, то необходимо соответствующим образом суммировать и усреднить мощности излучений, достигающих тела человека, с разных поверхностей. В связи с этим отметим, что упомянутые выше экраны могут значительно изменить картину лучистых потоков, «забирая» тепловую энергию из воздуха и преобразуя её в лучистое тепло, или, наоборот, поглощая потоки лучистой энергии и преобразовывая её в тепловую энергию воздуха. Например, застеклённый оконный проём в морозную погоду представляет собой холодный элемент помещения, «забирающий» лучистую энергию (а точнее, слабо излучающий тепло элемент и слабо отражающий падающее на него излучение). Но если загородить окно экраном (например, в виде матерчатой шторы), то экран приобретает температуру, близкую к комнатной, и будет излучать обратно в помещение значительно больше лучистой энергии. Этот эффект издавна применялся в жилищном строительстве, например, при обшивке тканью (гобеленами) каменных стен замков в Западной Европе Средневековья, при отгораживании шторами спальных мест и т. п. При этом практически не важна плотность или теплопроводность тканей, значительно большее влияние имеет количество экранов (слоёв экранирования). Также ясно, что в пасмурную ночь теплее, чем в ясную звёздную, поскольку со всех предметов на Земле тепловое излучение в ясную погоду (даже днём) безвозвратно «улетает» в космос (имеющий температуру минус 273 °C), а облака частично компенсируют эти теплопотери собственным излучением с температурой капель воды в облаке, например, 0 °C. Напомним также, что атмосфера имеет «окна» оптической прозрачности 3,4–4,2 мкм и 8‑12 мкм. Эти «окна» ограничены с обеих сторон спектральными полосами поглощения молекул воды и углекислого газа. Поэтому при высокой влажности воздуха атмосфера «закрывает» эти «окна» прозрачности, и излучение уже не может «улетать в космос» (парниковый эффект).

В заключение рассмотрим вопрос физического взаимодействия инфракрасного излучения с телом человека. При падении светового потока на кожу часть лучистой энергии отражается, а другая часть проникает внутрь тканей, ослабляясь по мере углубления за счёт поглощения компонентами биологической ткани. Спектральная зависимость коэффициента отражения представлена на рис. 41, откуда видно, что кожа отражает только видимый и ближний инфракрасный (ИК) свет (так называемый А‑диапазон ИК‑излучения 0,75‑1,5 мкм). В этом легко убедиться, посветив в темноте фонариком на ладонь и наблюдая отражённый свет на белом экране (стене). Инфракрасное же излучение с длиной волны более 1,5 мкм практически не отражается и поглощается тканями с эффектом обычного нагрева.

Теперь прислоним рефлектор фонарика к ладони (или загородимся ладонью от света электрической лампочки). Мы увидим, что промежутки между сомкнутыми пальцами красные. Это значит, что биологические ткани пропускают (частично) красный цвет (рис. 43). То есть красный цвет глубоко проникает под кожу. Действительно, если посветить фонариком в закрытые глаза, то отчётливо почувствуем свет, проникающий через ткань век и воспринимаемый как «свет, который мешает уснуть». Экспериментальные измерения показывают, что коэффициент поглощения тканей минимален в видимой красной и ближней (коротковолновой) инфракрасной области (в А‑диапазоне ИК‑излучения). Таким образом, излучение с длинами волн 0,75‑1,5 мкм хорошо отражается от кожи, но в то же время неотразившаяся часть излучения глубоко проникает в ткань. Считается, что глубоко проникающее излучение обеспечивает прогрев тканей, причём мягкий и безболезненный прогрев, поскольку поглощение тепла «размыто» по большому объёму подкожной ткани и по большому количеству терморецепторов. Этому способствует и очень высокое рассеивание красного и инфракрасного излучения в тканях человека. Так, просвечивая мощным источником света ладонь, вы не сможете увидеть костей на фоне общего красного свечения. Поэтому источники света с большой долей ближнего инфракрасного излучения (Солнце, юпитеры, софиты, лампы накаливания, в том числе широко известные синие лампы‑рефлекторы Минина и красные с поляризованным светом типа Биотрон) используются в физиотерапии как лечебное средство. В действительности же на значительные глубины 1–4 см проникают лишь доли процента излучения, поэтому даже когерентный красный свет в гелий‑неоновой лазеротерапии поглощается преимущественно кожей, которая может воспринимать поглощенное излучение как ожог. В то же время, охлаждая кожу (водой, стеклом) и облучая её мощным ИК‑излучением А‑диапазона можно добиться очень интересных эффектов. Например, если облучать ванну мощным ИК‑излучением А‑диапазона, то можно с комфортом находиться даже в ледяной воде не замерзая. Или можно приложить к коже оптически прозрачную пластинку стекла и облучить через неё кожу импульсом очень мощного ИК‑излучения А‑диапазона (сотни кВт/м²). Тогда верхний слой кожи, в котором находятся высокочувствительные терморецепторы, не успевает нагреваться из‑за контакта со стеклом и не чувствует боли от ожога, но тем не менее глубинные области кожи, где располагаются луковицы волос, на мгновение прогреваются до температур порядка 70 °C. Это оказывается достаточным, чтобы погибли зародыши волос, что приводит к эффективной и безболезненной эпиляции, используемой в косметологии.

Выделить инфракрасное излучение А‑диапазона из общего потока инфракрасного излучения легко, достаточно поместить между источником и человеком лист самого обыкновенного оконного стекла. Стекло поглощает излучение В и С‑диапазонов, но пропускает излучение А‑диапазона. Так, если источником инфракрасного излучения является металлическая печь или камфорка электроплиты, то лист стекла, помещённый между источником излучения и человеком, полностью поглотит поток лучистого тепла и не пропустит его на лицо или ладонь, поскольку нагретые до 400‑1000 °C поверхности излучают только инфракрасные лучи С‑диапазона. Но если источником инфракрасного излучения является лампа накаливания (например, лампа Минина с рефлектором), а тем более Солнце, то лист стекла практически не ослабит поток лучистого тепла, поскольку нагретые до 2000–6000 °C поверхности излучают преимущественно инфракрасные лучи А‑диапазона. Аналогичными оптическими свойствами обладают многие прозрачные пластические массы и жидкости, в частности вода, являющаяся основным компонентом мягких тканей организма человека (рис. 43). Проверить это так же легко: надо между ладонью и печью пролить воду (плоской струёй или душем) и почувствовать разницу. А так как кожа наполовину состоит из воды, то кожа тоже поглотит ИК‑излучение С‑диапазона. Аналогично, вода (пот) на теле человека поглощает излучение с λ>1,5 мкм от печи, но практически не ослабляет инфракрасное излучение от Солнца или электрической лампочки. Можно использовать и отражательные свойства материалов. Если мощной лампой накаливания (или Солнцем) осветить древесину (лучше колотую или строганую), натуральную поделочную кожу (крупного рогатого скота) или даже кожу человека (см. рис. 41), то отразится преимущественно именно ближний инфракрасный свет А‑диапазона. Аналогичного эффекта можно достичь при отражении на стёклах, в том числе с отражающим слоем (зеркалах). Так фильтры ИКС‑1 и ИКС‑7 пропускают излучение с длинами волн 0,8–3 мкм, кварц – 0,2–6 мкм, флюорит СаF₂ до 10 мкм.

Рис. 43. Коэффициент поглощения к, определяющий ослабление интенсивности луча света Ι=Ι₀·ехр(‑кх), где Ι₀ – интенсивность света, падающего на слой вещества толщиной х, I – интенсивность света прошедшего слой вещества толщиной х. 1 – спектральная зависимость коэффициента поглощения света мягкими тканями организма человека, 2 – спектральная зависимость коэффициента поглощения света водой, V – спектральный интервал видимого излучения, А – спектральный интервал А‑диапазо‑на инфракрасного излучения (см. В.И. Карандашов и др., Фототерапия, М.: Медицина, 2001 г.).

Японские производители инфракрасных саун (ИК‑кабин) в целях рекламы беспочвенно утверждают, что длинноволновое ИК‑излучение С‑диапазона с длиной волны порядка 10 мкм, испускаемое кожей человека, якобы обладает способностью глубоко проникать в ткани организма человека в силу каких‑то особых «резонансных свойств», присущих «живому» излучению. Эти особые свойства обуславливают якобы «полезный» эффект чудотворного глубокого прогрева тканей методом «возложения рук» колдунами‑целителями при приближении ладоней без касания к телу. Кроме того, такое излучение якобы жизненно необходимо человеку, так как именно им он согревается с момента зачатия в утробе матери. Поэтому такое длинноволновое излучение в рекламе ИК‑саун названо «лучами жизни». Безусловно, все эти красивые утверждения являются крайне удачной находкой рекламы, но не имеют ничего общего с фундаментальной истиной. Каждый вправе верить или не верить в колдовские возможности «лучей жизни», чудотворных «возложений рук» и «объятий» ИК‑саун. Но отметим, что в ИК‑кабинах речь идёт о самом обычном нагреве, таком же, как от обычных печей. Кроме того, согласно физическому закону Кирхгофа, если какая‑либо (любая) поверхность сильно излучает в каком‑либо спектральном диапазоне, то она и сильно поглощает в этом диапазоне (и плохо отражает). Поэтому если понимать «резонанс» в обычном смысле как пик поглощения, то кожа ребёнка как раз и не даёт «лучам жизни» пройти через себя вглубь тела. Более того температуры трубчатых (в том числе керамических) электронагревателей – инфракрасных излучателей японских ИК‑саун – вовсе не равны температуре человеческого тела и достигают 500 °C, что полностью перечёркивает все рекламные «доводы» производителей. Если бы были справедливы утверждения рекламы о «лучах жизни», то более полезными были бы обычные бани с температурой стен и потолка 40‑100 °C, особенно турецкие хаммамы. К сожалению, доказательств высокой прозрачности тела человека в длинноволновой области спектра нет (см. рис. 43).

Вслед за японскими фирмами выпуск ИК‑саун (как новой престижной продукции) наладили фирмы США, Германии, Финляндии, Нидерландов и России, и, что характерно, с излучателями самых разных температур (и соответственно, совсем разных спектральных составов), причём каждая фирма утверждает, что её спектральный состав наиболее полезен для здоровья. Если отбросить псевдомедицинские доводы, то можно сообразить, что все эти ИК‑кабины являются, по‑существу, аналогами ИК‑камер (сушилок) для полимеризационного отверждения («сушки») лакокрасочных автомобильных покрытий.

Малая мощность ИК‑облучения, присущая всем этим кабинам, не превышает энергетический уровень привыкания 0,2 кВт/м². При таких мощностях облучения всё равно, нагревается ли только кожа или вся подкожная ткань (см. раздел 5.3). Так что в ИК‑саунах речь идёт о самом обычном нагреве, иногда, может быть, и полезном (как и любой иной нагрев, например, обогрев у батареи центрального отопления).

Вместе с тем отметим, что некоторые нагретые керамические материалы на самом деле имеют спектр излучения, отличный от спектра излучения абсолютно чёрного тела. Так, известные штифты Нернста с температурой более 2000 °C дают белое излучение с весьма резкими максимумами в области длин волн 2 и 6 мкм, что определяется спектральной зависимостью черноты керамики. Биологических особенностей воздействия штифтов Нернста на человека не отмечалось.