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.

Рис. 64. Зависимость равновесной относительной влажности древесины от температуры при различных относительных влажностях водуха ф, указанных при кривых в процентах.

7.10. Элементы «банного мастерства»

Обсуждая русскую паровую баню нельзя обойти вниманием вопрос о «банном мастерстве», о котором так любят рассуждать знатоки бань в самой общей форме, но который так старательно избегают обсуждать в деталях (в основном по банальной причине отсутствия технических знаний о сути банного процесса). А поскольку все любители бань считают себя знатоками бань, то вопрос о банном мастерстве всегда был традиционно наполнен мистическими спекуляциями.

Конечно же, для того, чтобы пользоваться баней, никакого особенного банного мастерства не требуется. Необходимы лишь некие методические навыки, приобретаемые житейскими способами. Но в русских банях (в отличие от хаммамов) к банному мастерству относят не столько вопросы мытья, сколько вопросы парения. Ясно, что в случайно построенной бане попариться (в смысле прогреться) можно только действительно обладая некими знаниями, интуицией и опытом.

Под банным мастерством в народе понимают три уровня знаний и навыков:

– владение приёмами работы с веником в комплексе (в том числе в части заготовки и хранения), методами приготовления ароматических отваров и настоев, уменье безопасно париться и охлаждаться (в том числе и экстремально), знание «протокольных» традиций и т. п., то есть обладание традиционными навыками париться и мыться в бане, причём желательно так, чтобы банную процедуру превращать в «праздник души и тела»;

– уменье истопить баню, поддать пару так и столько, чтобы обеспечить требуемый уровень нагрева тела, то есть обладание навыками приготовить баню, причём желательно так, чтобы можно было бы париться, в том числе и с веником;

– уменье построить баню, причём под этим имеются в виду не строительные навыки (ровно пилить, чисто строгать, красиво прибивать и т. п.), а «чутьё» (знание) сделать (сконструировать) сооружение так, чтобы специального банного мастерства не требовалось бы вообще.

Если по первому вопросу в литературе имеется множество рекомендаций самого разнообразного толка (в том числе и догматических), то вопросы эксплуатации и особенно постройки бань требуют технически грамотного, а порой даже научно обоснованного подхода, вследствие чего освещены в литературе очень скудно по сути. Чаще всего процесс постройки бани сводится к строительству обычной жилой «коробки» (бревенчатой избы или утеплённого дощатого сарая), без разъяснения, чем же должна отличаться конструкция, дизайн и архитектура той или иной бани (по полам, потолкам, стенам, окнам, фундаменту и т. п.) от других бань или, скажем, от жилого или хозяйственного строения. При таком подходе авторы зачастую не могут разглядеть разницу между чёрной баней (дымной сауной), белой паровой баней (бездымной сауной) и современной сухой сауной, кроме как в типе печного узла и более современном облике последней, в большей ухоженности, в расположенности вблизи красивого водоёма, то есть в чисто внешних, не затрагивающих глубинную техническую суть особенностях. Это влечёт за собой путаницу в рекомендациях по эксплуатации. Действительно, так часто обсуждаемые для все типов бань вопросы, например, выбора дров (берёзовых, осиновых, липовых, сосновых) особенно важны преимущественно для чёрных бань, чтобы был приятный запах и меньше копоти. А вопросы вентиляции особенно важны лишь для сухих саун.

Банное мастерство протопки чёрной бани связано с навыками поддерживать огонь в задымленном помещении, уменьем избежать полной задымлённости путём организации выхода дымовых газов слоем, располагающимся вдоль потолка, знанием необходимой меры нагрева камней очага (каменки), уменьем сократить закопчённость стен и придать приятный дымный запах за счёт подбора типа дров, уменьем удалять угли или выжигать их при закрытых дверях так, чтобы за это время потолок прогрелся лучистым теплом до требуемой температуры каменки, а пол от потолка, навыками удаления излишней копоти с полок, увлажнения (ошпаривания) стен и томления бани, сноровкой бросать раскалённые камни (лопатой, щипцами, совками, досками) в посуду с холодной водой (бочки, чаны, углубления в земле‑ямы) и т. п. Все эти элементы банного мастерства абсолютно не нужны в белой паровой бане, точно также как умение поддавать пар совершенно не нужно в сухой сауне, а уменье сушить потолок не нужно в чёрной бане. Так что «банное мастерство» для различных типов бань различно как по сути, так и по внешним признакам.

Банное мастерство постройки белых паровых бань должно исходить из осознания того, что после выхода пара из каменки (или иного другого парогенератора), климатическая обстановка в бане будет определяться уже вовсе не каменкой, а конструкцией и аэродинамикой самого помещения (включая печь, окна, двери и т. п.). Поскольку в быту мало кто продумывает конструкцию помещения под конкретный вид парения, то чаще случается так, что человек попросту приспосабливается под конкретное помещение и под конкретную печь‑каменку, придумывая тот или иной вид (приём) парения. Причём под парением раньше понимали способ нагрева помещения (или тела человека), а сейчас всё чаще понимают некую физиотерапевтическую процедуру. Поэтому чтобы не запутаться в дебрях мелочных доводов, надо в каждом конкретном воплощении бани вычленить основные особенности конструкции. В белых банях это слабый нагрев высокотеплоёмкого помещения кирпичной печью, выступающий как недостаток, исправляемый наличием крупной высокотеплоёмкой каменки. Поэтому всё вышеизложенное относится лишь к высокотеплоёмким помещениям с источником нагрева воздуха с низкой мощностью теплоотдачи. При этом источник нагрева воздуха может быть любым – кирпичной печью, металлическим, электрическим, инфракрасным и т. п. Именно в такое помещение выпускается пар из каменки.

Судя по всему, разговоры о сути «банного мастерства» велись в народе тысячелетиями. Основная причина очевидна: бани несопоставимо сложнее для понимания (и не только с точки зрения климатологии), чем ванны и души, но зато и обеспечивают несравненно более широкие возможности. Кроме того, практически все русские бани были испокон веков мытными (бытовыми), и вопросы парения в них были далеко не главными. То есть вопросы пара обсуждать‑то обсуждались, порой горячо и бескомпромиссно, но если достойного пара не получалось, то всё равно мылись и наслаждались баней. Да и уровень технической грамотности населения в период царствования бань в России был крайне низок. Но сейчас, когда баню (как идею и процедуру) закладывают в сердцевину массовых ультрасовременных развлекательных, общеоздоравливающих и лечебных мероприятий, без конкретных знаний сути технического процесса обойтись невозможно.

Впрочем, очень многие наши архитекторы, дизайнеры и строители бань совершенно искренне считают, что строительное банное мастерство в наш век может заключаться лишь в создании достойного декоративного облика русской бани, умении воплотить вековые традиции в неповторимом художественном образе и качественной отделке. Ну что ж, может быть, они и правы, если речь идёт о декоративных банях, украшающих интерьер или экстерьер богатой усадьбы. Но декоративная баня из глянцевого журнала может превратиться в представительскую баню лишь с максимальным использованием технической мудрости лучших образцов любительских бань, поскольку представительская баня должна не только поражать внешним видом, но и ярко запомниться неповторимыми ощущениями исконно русского парения.

Современные сауны

Если в парилке мужчины вздыхают, потеют и озадаченно молчат, то это финская сауна, а если шуткуют, парятся и выражаются, то это русская баня.

В предыдущем разделе мы рассмотрели высокотеплоёмкую баню с кирпичной печью, обладающей низкой теплоотдачей. В этом разделе мы рассмотрим противоположный случай – низкотеплоёмкую баню с металлической печью, обладающей высокой теплоотдачей.

Сразу подчеркнём, что оба эти типа бань имеют одинаково большую практическую ценность. Высокотеплоёмкие бани с отопительным узлом малой мощности долго прогреваются, но зато хорошо «держат» температуру на заданном уровне и очень ценны при постоянной эксплуатации. Низкотеплоёмкие бани с отопительным узлом большой мощности быстро прогреваются, но в них трудно удержать температуру на строго заданном уровне, так что они удобны для кратковременной эпизодической эксплуатации (например, на дачах).

В идейном плане современные низкотеплоёмкие бани с отопительным узлом большой мощности являются развитием курных бань в шалашах с костром. Но в техническом плане металлические печи (впервые изготовленные в нашей стране на тульских заводах при Петре I) явились развитием идей кирпичных печей. С появлением в XX веке дешёвого и доступного для населения чугунного литья, а затем стального проката и сварочного оборудования в кирпичные печи‑каменки стали вводить металлические элементы (дверки топливников, варочные плиты, водогрейные котлы, контейнеры‑поддоны для открытых каменок и т. п.), что существенно увеличивало теплоотдачу печей и повышало температуру бани. Революционный скачок был достигнут при внедрении в банный быт цельнометаллического печного оборудования (колосниковых и подовых металлических топок на различных видах топлива, паровых и водогрейных котлов, напорного водопровода). Кроме того, бани стали в обязательном порядке утепляться высокоэффективными искусственными утеплителями (вспененными полимерами, стеклянной и базальтовой ватой, пеностеклом и т. п.) и обшиваются внутри малотеплоёмкими покрытиями (евровагонкой, сталью).

Утеплённые современными утеплителями малотеплоёмкие бани с экранированными металлическими печами (с каменками и без каменок) получили название «современных высокотемпературных финских саун». В России с 60‑х годов XX века прижилось бытовое название просто «сауна» (в отличие от дымных саун‑чёрных бань и бездымных саун‑белых бань). Такую условную терминологию мы используем и в этой книге, адресованной в первую очередь именно русскому читателю. Подобная практика терминологического обобщения в России не нова. Так, в XVII–XVIII веках все отопительные многооборотные печи в народе стали называть «голландками», а все отопительно‑варочные многооборотные печи с металлической плитой – «шведками» (в отличие от русских печей с дымовыми трубами, но без дымооборотов). Фактически это являлось в те годы признанием лидирующих позиций финнов в области бань с металлическими печами и, кроме того, свидетельством того, что русский банный люд сразу чётко понял техническую обособленность бань с металлическими печами (особенно электрическими) и их расширенные технические возможности. Во всяком случае в СССР сауна понималась и в идейном, и в техническом плане значительно шире, нежели в среде финских физиотерапевтов и финских коммерсантов. Русские в саунах и мылись, и парились, и стирались, а финны – преимущественно лишь потели перед душем. Для полноты картины отметим, что ряд отечественных производителей саун ввёл в обиход понятие «русских саун» как изделий, конструктивно идентичных современным финским саунам, но с заменой северной еловой и африканской древесины на липу и осину. Ясно, что такое понятие является чисто столярным уточнением.

Металлическая печь на любом виде топлива (дрова, уголь, соляр, газ, электричество) как огонь: загорелась – сразу тепло, только потухла – сразу холодно. Поэтому неэкранированные металлические печи обеспечивают имитацию открытого очага в части мощного конвективного и лучистого нагрева помещения и, вообще говоря, идеально подходят для современных проектов «бездымных чёрных» бань (деревянных) и лаконикумов (каменных). Однако высокая пожарная опасность мощных лучистых потоков привела к тому, что сначала в Финляндии, а затем и в России, в деревянных банях (саунах) стали использоваться исключительно экранированные металлические печи. При этом экран в виде металлического кожуха, охватывающего наиболее горячие (сильно излучающие) части печи (топливника), загораживает лучистый поток, поглощает его и рассеивает в виде тепла восходящего (конвективного) потока нагретого воздуха. Поэтому экранированная металлическая печь имитирует фактически мощную кирпичную печь. Вследствие этого, сауна с экранированной печью по духу ближе к белой бане, чем к чёрной, и не только потому, что в помещении нет дыма, а главным образом потому, что отсутствуют мощные лучистые потоки тепла от источника нагрева.

Нетрудно представить себе, как изменится белая паровая баня, если заменить кирпичную печь, с теплоотдачей 2 кВт на много более мощную печь с теплоотдачей, скажем, 20 кВт, тем более, если ещё заменить высокотеплоёмкие бревенчатые стены на малотеплоёмкие. Температура сразу подскочит у потолка до 100 °C и выше, станет жарко даже без поддач.

При этом в зависимости от скорости циркуляции воздуха (вентиляции) и температуры полов могут реализоваться самые разнообразные климатические режимы, в том числе и сухие динамические (суховеи), и застойные паровые.