Продукция
Новости
Объекты
Поиск
Задачи, которые должен решать потолок парной в русской бане « Строим русскую баню по уму
Опубликовано: 05.11.2018
Просмотров: 625
Потолок парной русской бани играет чрезвычайно важную роль в процессе создания требуемых паро-влажностных режимов. От того правильно ли он будет сделан напрямую будет зависеть конечный результат – сможете ли Вы достичь желаемых кондиций для парения.
Кратко напомним, что парная русской бани имеет ряд черт, отличающих ее от какой-либо другой парной (суховоздушной сауны, влажного хаммама, инфракрасной кабины).
В парной русской бани создаются высоковлажные температурные режимы, позволяющие человеку мыться в конденсате паров воды, осаждающихся на его коже как на наиболее холодной поверхности парной.
Данные режимы отличаются повышенным содержанием газообразных паров воды, находящихся в воздухе. Абсолютная влажность воздуха (количество грамм воды, находящееся в 1 кубометре воздуха) в парных русских бань может колебаться от 50 г/м³ до 100-130 г/м³. Это соответствует относительным влажностям воздуха φ, колеблющимся от 100% (при Т=40ºС) до 65% (при Т=70ºС).
Влага, находящаяся в воздухе в подобных концентрациях, осаждаясь (конденсируясь) на человеке во время парения вениками, распаривает кожу и смывает вместе с выделяющимся потом все выводимые из организма «шлаки».
Одним из основных элементов парной, берущих участие для создания таких режимов, является потолок (более точно, правильная конструкция потолка).
В настоящей статье мы рассмотрим работу потолка парной в создании влажностных режимов в парной. Следующая статья будет посвящена организации правильной конструкции потолка парной русской бани.
Итак, начнем.
Отметим такое замечательное свойство дерева как его способность поглощать в своей массе влагу, находящуюся в окружающей его среде, а также отдавать эту влагу обратно, увлажняя прилегающие слои воздуха.
Этим свойством (гигроскопичностью) древесина обладает ввиду наличия внутри себя огромного количества пустот, имеющих вид каналов с очень малым поперечным сечением (диаметром) вплоть до 1 мкм (10-6м) и даже меньше.
Жидкость в таких каналах ведет себя не так, как в каналах с большим поперечным сечением. За счет действия сил поверхностного натяжения (которые тем больше, чем тоньше канал), вода, контактирующая с поверхностью дерева, втягивается по этим смачивающимся водой каналам вовнутрь древесины.
Происходит это потому, что над поверхностью воды в древесном канале (имеющей вид вогнутого мениска) давление водяных паров (по сути, количество молекул воды, находящееся в воздухе над поверхностью жидкой фазы) меньше, чем над поверхностью капель воды, контактирующих с деревом.
За счет этого перепада давлений компактная вода, находящаяся на поверхности древесины, втягивается по ее капиллярам вовнутрь.
Соответственно, когда воды на поверхности древесины нет, а концентрация газообразной воды в воздухе становится меньше концентрации паров воды в капиллярах, вода из капилляров начинает испаряться, увлажняя близлежащие к древесине слои воздуха и повышая его влажность.
Древесина, если ее не сушить специально при определенных условиях, всегда содержит в себе определенное количество воды.
Когда мы говорим о сухой древесине, высушенной на воздухе, мы подразумеваем, что древесина является воздушно-сухой.
Воздушно-сухая древесина без контакта ее с компактной водой максимально может содержать в своих капиллярах не более 30% (от веса древесины) воды и характеризуется величиной относительной влажности w,% (не путать с относительной влажностью воздуха φ ,% ).
Относительной влажностью древесины называется отношение веса содержащейся в дереве воды к весу абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах.
Воздушно-сухая влажность древесины определяется не абсолютной влажностью воздуха, а относительной влажностью воздуха при заданной температуре.
Свойство гигроскопичности древесины иллюстрируется широко известными диаграммами равновесной влажности древесины (см. Рис.1).
Рис.1 . Зависимость равновесной относительной влажности древесины от абсолютной влажности воздуха при различных температурах: 1-20ºС, 2-30ºС, 3-40ºС, 4-50ºС, 5-60ºС, 6-70ºС, 7-80ºС.
Из этих диаграмм следует, что воздушно-сухая древесина, содержащая в себе определенное количество воды (имеющая определенную относительную влажность w,%) при разной температуре окружающего ее воздуха способна создать у своей поверхности вполне определенную влажность воздуха. Причем, чем выше будет температура воздуха, тем большую абсолютную влажность он приобретет за счет испарения воды деревом.
Например. Атмосферно-сухая древесина с относительной влажностью равной w=12% способна увлажнить за счет испарения влаги из себя близлежащие слои воздуха до следующих значений:
при температуре Т=20ºС до абсолютной влажности d=0,01 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=60%), при температуре Т=30ºС до абсолютной влажности d=0,017 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=56%), при температуре Т=40ºС до абсолютной влажности d=0,03 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=60%), при температуре Т=50ºС до абсолютной влажности d=0,055 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=66%), при температуре Т=60ºС до абсолютной влажности d=0,09 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=69%), при температуре Т=70ºС до абсолютной влажности d=0,135 кг/м³ (относительная влажность воздуха φ=68%).Мы видим, что над поверхностью древесины формируется оптимальная по влажности среда (с нормальной относительной влажностью φ ~ 60-70%).
Из этих же диаграмм следует, что вполне конкретная абсолютная влажность при заданной температуре контактирующего с древесиной воздуха может быть достигнута только при вполне конкретной относительной влажности древесины.
Например, абсолютная влажность воздуха, равная 0,05 кг/м³ (хомотермальный режим в бане), может быть достигнута как при относительной влажности древесины w~30% при температуре воздуха Т=40ºС , так и при относительной влажности древесины w~10% при температуре воздуха Т=50ºС , а также при относительной влажности древесины w~6% при температуре воздуха Т=60ºС.
Из этих диаграмм также следует то, что абсолютные влажности воздуха, характерные для сырого воздуха с относительной влажностью φ~100% при вполне определенной температуре, могут быть достигнуты только путем насыщения деревянного потолка влагой до максимально-возможных равновесных значений его относительной влажности w~30% .
Другими словами, не насытив деревянный потолок влагой до максимально возможного значения воздушно-сухой древесины, нельзя получить у поверхности этого потолка воздух с относительной влажностью, равной φ~100%.
Например. Из Рис.1 следует, что при температуре Т=60ºС (кривая 5) абсолютная влажность воздуха вблизи древесины порядка d=0,13 кг/м³ ( φ=100%) может быть достигнута лишь при увлажнении древесины до относительной влажности w ~ 30%, т.е. при максимальном насыщении древесины влагой, которую она может удержать в воздушно-сухом состоянии.
C другой стороны, благодаря свойству гигроскопичности древесины весьма непросто достичь высоких значений относительной влажности воздуха φ в парной с массивным деревянным потолком с невысокой относительной влажностью ( w=8-10%).
Поясним сказанное.
Допустим, в парной размером 2,5×3 м настелен деревянный потолок из липовой доски толщиной 2,5 см, который нагрет до 60ºС . Плотность липы составляет 510 кг/м³.
Таким образом, вес потолка составляет ~ 100 кг. Примем также, что в парной установлен хомотермальный режим с абсолютной влажностью воздуха равной 0,05 кг/м³ (50г/м³).
Из Рис.1 видно, что при температуре воздуха Т=60ºС и его абсолютной влажности d=0,05 кг/м³ в равновесном изотермическом состоянии древесина потолка имеет относительную влажность w=6,6%. Или, говоря другими словами, потолок массой 100 кг содержит 6,6 кг воды.
Посмотрим, какой объем воды нам надо испарить на каменке, чтобы получить у потолка абсолютную влажность d=0,08кг/м³. Если допустить, что при испарении воды температура воздуха и потолка в парной останется равной Т=60ºС , тогда мы получим широко известный режим русской бани 60/60 (при температуре 60ºС относительная влажность воздуха будет так же 60% ).
Надо сказать, что удержать температуру потолка равной 60ºС не удастся, так как при конденсации на потолке паров воды выделится скрытая теплота парообразования (теплота, затраченная при переводе воды с температурой 100ºС в пар с той же температурой 100ºС ), которая нагреет потолок на некоторую величину, пропорциональную массе испаренной воды и массе потолка.
Испарим на каменке 400 г воды с подачей всего образовавшегося пара (допустим, с температурой 100ºС ) на деревянный потолок.
В виду того, что деревянный потолок является пористым (гигроскопичным) материалом, он вначале сконденсирует на своей поверхности, а затем поглотит внутри себя весь объем пара. Относительная влажность потолка увеличится с 6,6 % до 7 % (6,6+0,4=7 кг/100, %). Температура же потолка поднимется до 65ºС .
Из Рис.1 видно, что абсолютная влажность воздуха у деревянного потолка (с температурой 65ºС и относительной влажностью 7 % повысится лишь до d=0,07 кг/м³ и воздух останется влагоненасыщенным, то есть с относительной влажностью φ<100%.
Напомним, что для температуры Т=65ºС полностью влагонасыщенный воздух (φ=100%) содержит в каждом кубометре 160 г водяных паров (d=0,16 кг/м³).
Будь у нас не гигроскопический потолок, тогда воздух у потолка с температурой 60ºС достиг бы сначала своего влагонасыщенного состояния (d=0,13 кг/м³, φ=100 %), а 320 г воды (0,4 — (0,13-0,05) = 0,32 кг) в виде сконденсировавшихся капель упало с потолка на пол парной.
Испарив на каменке вторую порцию воды равную 400 г , мы увеличим температуру потолка до 70ºС , его относительную влажность до w=7,4 %, а абсолютная влажность воздуха у потолка возрастет до d=0,1 кг/м³ (φ=50%). Воздух по-прежнему будет оставаться влагоненасыщенным.
Данный факт является весьма примечательным и в то же время очень положительным, так как все любители русской бани знают, что париться в воздухе со 100 % влажностью при температуре 70ºС равносильно залезть в ванну с водой, нагретой до 70ºС . Ощущение — не из приятных. А выдержать такой режим смогут единицы, да и то только после хорошего предварительного прогрева кожного покрова.
И даже испарив такую же третью порцию воды, мы не получим у потолка влагонасыщенный воздух. Потолок приобретет температуру, равную 75ºС при относительной влажности w=7,8%, а воздух достигнет абсолютную влажность, равную только d=0,12 кг/м³, и будет иметь все ту же относительную влажность φ=50%.
Таким образом, мы видим, что деревянный потолок выступает в парной мощным конденсатором и осушителем воздуха . Это дает возможность широкого варьирования температурно-влажностных режимов, не достигая критического насыщения воздуха парами воды.
Становится ясным тот факт, что для увлажнения воздуха в деревянной бане требуется увлажнить сначала потолок и стены. Причем для увлажнения потолка и стен потребуется намного больше воды, чем для увлажнения самого воздуха.
Поэтому перед началом парения увлажняют стены и потолок горячей водой с целью повысить их влажность, а уж только потом создают под потолком парной «пирог» влажного воздуха с повышенной температурой и влажностью, которым и парятся.
Способам приготовления пара и парения в дальнейшем планируется посвятить отдельную статью .
Анализ кривых гигроскопичности (см.Рис.1) показывает, что получить высокие влажности воздуха у потолка бани можно как путем нагрева потолка, так и путем его увлажнения. Так, например, абсолютную влажность воздуха d=0,13кг/м³ можно получить вообще без нагрева потолка, сохраняя его температуру на уровне 60ºС . Для этого требуется только напитать потолок дополнительными 20 литрами (20 кг) воды (при массе потолка 100 кг и его начальной относительной влажности w~10% (с 10 кг воды)).
С другой стороны можно вообще не увлажнять потолок, а только относительно быстро поднять его температуру с 60ºС до 80ºС.
Однако греть потолок в русской бане, кроме как печью и паром, нечем. Поэтому приходится комбинировать эти два средства нагрева, дополнительно поливая потолок, стены и полоки горячей водой.
С другой стороны гигроскопичный деревянный потолок, содержащий некоторый объем воды, в свою очередь увлажняет возле себя близлежащие слои воздуха, повышая их влажность. И увлажнение это будет тем сильнее, чем выше температура потолка и окружающего его воздуха.
Так, например, если перед протопкой бани в течение нескольких дней температура в парной была равной 20ºС , а относительная влажность воздуха φ=50% ( d~0,009кг/м³), тогда можно говорить о том, что деревянный потолок имел относительную влажность w~10%.
Нагревая парную до 60ºС , мы тем самым нагреем и потолок. Потолок, нагреваясь, начнет испарять содержащуюся в нем воду и увлажнит близлежащие слои воздуха до d~0,08кг/м³. Относительная влажность воздуха повысится с 10% до 61,5% (0,08/0,13*100=61,5%).
Потолок в данном случае сработает как парогенератор, увлажняющий воздух.
Понятно, что данная влажность будет создана только в определенном объеме воздуха у потолка.
Этот объем воздуха с повышенной влажностью напрямую будет зависеть от объема испаренной потолком влаги. А тот, в свою очередь, будет определяться влагоемкостью (в конечном итоге, массой) потолка.
Теперь выясним, как влияет масса потолка на характеристики бани.
Казалось бы, что нагреть массивный деревянный потолок очень трудно и что при поддачах пара потолок будет скорее увлажняться, а не нагреваться.
Однако на поверку это оказывается вовсе не так. Покажем это.
Для этого примем допущение, что вся испаряемая на каменке вода в конечном итоге поглощается деревянным потолком. Обозначим массу порции испаряемой на каменке воды как m, кг, а массу потолка как М, кг . Тогда при принятых допущениях единичная величина поддачи m равна увеличению относительной влажности потолка, то есть ∆ w= m/ M*100,%.
При этом увеличение температуры потолка за счет выделения скрытой теплоты конденсации Cконд (равной скрытой теплоте испарения Cисп ) будет равно:
∆Т=( Cконд/Сдер)* ∆ w/100=12,6* ∆ w,
где Cконд=Сисп=2260кДж/кг — теплота,выделяющаяся при конденсации водяного пара; Сдер=1,8 кДж/(кг*град) – теплоемкость древесины потолка.
Из этого соотношения следует удивительный результат: увлажнение потолка паром всего на 4% приводит к увеличению его температуры на ~ 50º C .
Это означает, что при исходной температуре потолка равной 60 º C поддав на каменку порцию воды, равную 4% от веса потолка, повлечет за собой подъем температуры потолка на 50º C (до 110º C). Это сделает невозможным дальнейшее увлажнение потолка (конденсацию и адсорбцию воды), так как известно, что температура кипения воды, при нормальных атмосферных условиях, составляет ~100º C .
При начальной температуре деревянного потолка ниже температуры пара (температуры точки росы влажного воздуха) и какой-то стартовой относительной влажности (меньше максимальной равновесной влажности w~30% ) увлажнить деревянный потолок можно только одним способом.
И этот способ заключается в регулировании величины и скоростью поддач порций воды на каменку, а именно их малой величиной (относительно массы потолка), и растянутостью поддач во времени.
Причем величина и периодичность поддач порций воды на каменку обратно пропорциональна исходной относительной влажности древесины потолка. То есть, чем влажнее потолок перед началом поддач, тем меньше и реже должны быть поддачи для достижения требуемой влажности потолка.
Из вышеуказанного выражения следует также то, что более массивные деревянные потолки (М1>М2,кг) при одних и тех же по величине поддачах порций воды на каменку дольше сохраняют способность сорбировать в себя водяной пар, оставляя воздух возле своей поверхности влагоненасыщенным (φ<100%). Следовательно, более массивные деревянные потолки позволяют более широко варьировать температурно-влажностные параметры воздуха парной.
Необходимо также отметить следующее. В статье мы говорили о «легкости пара» в русской бане.
Так вот, достичь данных режимов в парной быстрее удается в том случае, если деревянный потолок массивен (вес которого более 100кг ) и имеет начальную относительную влажность на уровне w=4-8%.
Это может быть достигнуто как активной сушкой потолка (желательно при повышенной температуре и пониженной влажности воздуха) после принятия банных процедур.
Такие условия наиболее легко обеспечиваются в банях с массивными кирпичными печами, которые в процессе протопки аккумулируют в своих стенах большое количество тепла. Это тепло, как правило, полностью не расходуется во время принятия бани.
Бани с кирпичными печами еще несколько дней после парения могут поддерживать в парной температуры на уровне 45-50ºС . Совмещая активную вентиляцию бани через открытые окна внешним воздухом с невысокой влажностью (напомним, что абсолютная влажность воздуха летом может колебаться в пределах 10-20 г/м³ , а зимой 0-10 г/м³ ), можно добиться снижения влажности потолка до требуемых значений w=4-8%.
Вместе с тем, начальная сухость потолка в парной вовсе не гарантирует получение воздуха с требуемой влажностью (абсолютной и относительной) при реальных поддачах.
Происходит это по следующим причинам. При поддачах пар конденсируется на потолке, быстро насыщая внешние слои древесины и поднимая их температуру (вплоть до 100ºС ).
В этих условиях древесина быстро теряет способность конденсировать и абсорбировать пары воды.
Это говорит о том, что для эффективной работы потолка как конденсатора и парогенератора должно соблюдаться ряд условий.
Во-первых. Желательно любыми способами увеличить площадь контакта древесины потолка с паром. Для этого доски потолка должны иметь в своем массиве трещины природного или искусственного происхождения.
Во-вторых. Древесину потолка ни в коем случае нельзя обрабатывать какими-либо водоотталкивающими составами. Наоборот, до монтажа потолка желательно доски пропитать любой гидрофильной пропиткой (например, каким-либо поверхностно-активным веществом или раствором поваренной соли). Обработка досок потолка раствором соли повышает способность древесины впитывать в себя влагу по сравнению с досками, не прошедшими такой обработки.
Объясняется это тем, что давление водяных паров в капиллярах древесины, пропитанной раствором соли, меньше чем давление водяных паров в капиллярах, просто заполненных водой.
Поэтому в аналогичных температурно-влажностных условиях доска, пропитанная солью, может вобрать в себя в 2 раза больше воды, чем обычная доска. А влажность воздуха, соприкасающегося с такой доской, оказывается ниже влажности воздуха возле доски, не прошедшей такой обработки.
Следовательно, воздух в парной с «соленым» потолком будет суше и его труднее будет вывести на режим влагонасыщения.
В-третьих. Потолок в парной должен быть хорошо проводящим тепло с целью его быстрого и равномерного прогрева по всему объему. Повысить теплопроводность потолка можно путем частого его армирования гвоздями (саморезами) в процессе монтажа.
В-четвертых. Потолок должен быть как можно более массивным для того, чтобы быстро не увлажнялся и не перегревался во время поддач. Массивный деревянный потолок весом не менее 100 кг не потеряет свою сорбирующую функцию и при поддачах нескольких литров воды. Легкий потолок, выполненный из вагонки (евровагонки), весом 35-40кг может потерять свои сорбирующие свойства уже при испарении на каменке до 1 литра воды .
Соответственно в этом случае у потолка быстрее будут созданы условия для формирования полностью влагонасыщенного воздуха (φ=100%) со всеми вытекающими отсюда негативными для парения последствиями.
В-пятых . Для сохранения сорбирующих свойств деревянного потолка процесс поддач порций воды на каменку должен быть растянут во времени. При соблюдении этого условия деревянный потолок не будет перегреваться и будет успевать сорбировать в себе новые порции пара.
В-шестых. Деревянный потолок с внешней стороны должен быть хорошо утеплен с целью не только исключения потери тепла, но и равномерного своего прогрева по всей массе.
Итак, подведем итоги.
Мы выяснили ряд замечательных свойств, присущих дереву как таковому и потолкам парных, выполненным из дерева.
Среди таких свойств необходимо отметить гигроскопичность деревянных потолков (сорбировать из воздуха влагу) и их способность увлажнять близлежащие слои воздуха до определенного значения, которое зависит от температуры нагрева потолка.
Массивные (М>100кг) деревянные потолки с относительно невысокой начальной влажностью ( w=4-8%) способны длительное время конденсировать и поглощать в себе находящуюся в воздухе влагу, не давая воздуху увлажниться до максимально возможных значений (относительной влажности φ~100%).
C такими потолками легче достигать и поддерживать в парной влажностные режимы, присущие русской паровой бани, как на этапе предварительного прогрева, так и во время парения (Т=45-65ºС, φ=50-90%, d=50-100 г/м³).
Вот и все пока.
В следующей статье мы коснемся конструктивных особенностей деревянного потолка парной, который позволит нам насладиться всеми режимами, присущими именно паровой русской бани.
До новых встреч!
Пока!