Потолок как парогенератор (кондиционер)

Пар из каменки, поднимаясь вверх, увлажняет преимущественно горячие припотолочные зоны воздуха. При температуре потолка 60 °C максимально возможная абсолютная влажность воздуха составит 0,13 кг/м³, при превышении которой начинается конденсация водяных паров либо в виде тумана или, что более вероятно, в виде росы на потолок. Всем любителям бань известно неприятное явление капания горячих капель воды (конденсата) с потолка на тело при сильных поддачах. Это явление наблюдается на зонах потолка, обшитых железом, на каменных (кирпичных, бетонных) оголовках (распушках, разделках) печи, на крашеных досках потолка и даже на головках гвоздей, то есть на всех непористых элементах потолка. Если же потолок бревенчатый (дощатый) или оштукатуренный, то конденсирующаяся влага тотчас впитывается в пористый материал, и капания конденсата с потолка не наблюдается.

В том, что деревянный потолок белой бани при поддачах действительно увлажняется, можно легко убедиться, завинтив в потолок рядом в 2 сантиметра друг от друга два самореза вдоль волокон и замеряя электропроводность древесины мегометром до и после поддачи.

Факт увлажняемости пористого потолка имеет два важных следствия. Во‑первых, увлажнённый пористый потолок становится резервуаром для хранения воды, которая впоследствии испаряясь, может затем долго увлажнять воздух вблизи потолка. Во‑вторых, абсолютная влажность воздуха вблизи пористого потолка неизбежно ниже, чем вблизи непористого потолка по причине гигроскопичности материала – уменьшения давления насыщенных паров при уменьшении радиуса кривизны компактной жидкости в капиллярах древесины (рис. 25).

Паровые бани с непористыми (невлагоёмкими) потолками и стенами называют сырыми, поскольку воздух в них сырой (имеет 100 %‑ую относительную влажность у потолка). Паровые бани с пористыми (влагоёмкими) потолками могут иметь воздух «лёгкий», то есть не сырой, осушенный (влажный или даже сухой). Если же пористый потолок увлажнён до предела, то баня сырая.

Оценить субъективную (органолептическую) разницу «пара» (то есть горячего увлажнённого воздуха) около непористого и пористого потолка может каждый с помощью самого обычного домашнего «ингалятора»: кастрюли с горячим содержимым, над которой склоняются и вдыхают «пар», желательно через трубку или воронку (например, обрезанную пластиковую бутылку). Если в кастрюле горячая вода, то воздух в кастрюле сырой «тяжёлый», обжигающий глотку при вдохе и лицо при выдохе. Если же в кастрюле горячая варёная картошка с той же температурой (а вода слита), то «пар» заметно мягче, что и используют часто в быту с пользой для здоровья. Высокая мягкость «лёгкого пара» над картошкой обусловлена гигроскопичностью варёного картофеля, которая снижает абсолютную влажность воздуха в кастрюле. Отметим попутно, что если горячую варёную картошку охладить в кастрюле с закрытой крышкой, то на дне кастрюли мы обязательно обнаружим воду. Это означает, что влага из картошки может испаряться, а затем конденсируется на более холодных стенках кастрюли. То же самое происходит в бане с древесиной.

Гигроскопичность – это способ материала поглощать водяные пары из воздуха при температурах ниже точки росы, то есть тогда, когда на непористом материале (например, стальном листе) не может выделяться влага из воздуха в виде росы. Как уже отмечалось в разделе 4.2, свойство гигроскопичности обусловлено наличием в материале смачивающихся мелких (ультрамикроскопических) капилляров, измеряемых сотыми или тысячными долями микрометра. В таких смачивающихся капиллярах над вогнутой поверхностью менисков давление водяного пара меньше, чем над плоской поверхностью воды. Так, при 20 °C зависимость относительного понижения давления насыщенного водяного пара р/ро от радиуса г (в нанометрах, 10 ⁹ метра) имеет вид:

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 Δw(%)=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 ΔТ=(С_исп/С_р)Δw/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 ΔТ=12,6 Δw 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 Δw=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.

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).