Механизм испарения воды в бане

Исходным моментом (первичным актом) испарения является явление газификации воды (парообразование). При этом вода, разлитая по эмалированной поверхности душевого поддона, или вода, впитавшаяся в глубь древесины, газифицируется точно так же, как вода, налитая в ванну или распределённая на коже человека. Наиболее быстрые молекулы воды, преодолевая энергетический барьер, равный скрытой теплоте испарения (конденсации) 539 ккал/кг, вылетают с поверхности компактной (жидкой) воды и могут безвозвратно удалиться (например, в вакууме), если их не заставят возвратиться назад в жидкость столкновения с молекулами в газовой фазе (рис. 56,а). Массовые скорости газификации воды могут быть очень большими — несколько килограммов в секунду с 1м² при температуре 40°С (то есть тонны воды в час с 1м² поверхности!) и возрастают с температурой экспоненциально (точнее, пропорционально d0(Т)1/2). Вместе с тем, давление водяных паров рп (а по существу концентрация молекул воды) у поверхности воды крайне мало, поскольку все молекулы воды тут же улетают от поверхности. При высоких скоростях газификации компактная вода, естественно, сильно охлаждается, поскольку из неё вылетают наиболее энергичные молекулы, и средняя энергия оставшихся молекул в воде (как раз и характеризующаяся понятием температуры) уменьшается. Это явление хорошо известно и широко используется, например, при сублимационной сушке, когда вода из-за охлаждения превращается в лёд.

Рис. 56. Режимы испарения с поверхности чистой воды
Рис. 56. Режимы испарения с поверхности чистой воды: а — кинетический режим, при котором скорость испарения равна скорости газификации; б — диффузионный режим, при котором скорость испарения определяется скоростью диффузии молекул воды в воздухе; в — режим кипения (факельный режим), при котором пары воды удаляются газодинамически (потоком — струей пара), рп — парциальное давление паров воды, рв — давление воздуха (сухой части), р — суммарное давление воздуха и водяных паров, V — перенос масс воздуха с водяными парами (ветер).

Если же газификация происходит в воздушной среде (именно этот случай реализуется в банях), то требуется учёт обратного процесса — ожижения паров воды, поступающих из воздуха на поверхность компактной воды. То есть молекулы воды из воздуха (представляющие собой водяной пар в воздухе) «влетают» в поверхность воды и «застревают» там в результате «прилипания» к другим молекулам воды, находящимся в «слипшемся» (жидком) состоянии за счёт действия межмолекулярных сил. В результате процесс газификации ожижения усложняется: вылетающие молекулы воды начинают сталкиваться с молекулами воздуха, скучиваются вблизи поверхности воды, «влетают» в неё и при некоторой концентрации молекул воды в воздухе получается баланс — сколько молекул воды газифицируется, столько же молекул и ожижается. Иными словами, давление паров воды в воздухе у поверхности воды (или абсолютная влажность воздуха) равно равновесному (или плотности насыщенного пара), и процессы газификации и ожижения взаимно уравновешивают друг друга (рис. 56,б). Но если вдали от поверхности воды давление водяных паров в воздухе понижается (например, вследствие вентиляции), то в воздушной зоне возникает перепад концентрации водяных паров, а молекулы воды начинают диффундировать в среде молекул воздуха от поверхности воды — наступает дисбаланс. Этот дисбаланс в реальных условиях бани очень мал: если в целом в бане газифицируются (тотчас ожижаясь) тонны воды в час, то уходят в результате диффузии лишь граммы или сотни грамм водяных паров в час. Результирующий эффект дисбаланса между газификацией и ожижением называется испарением (если количество компактной воды убывает) или конденсацией (если количество воды возрастает за счёт ожижения водяных паров). 

Таким образом, можно отметить два предельных характерных режима сушки. Во-первых, если плотность воздуха, препятствующего движению молекул воды, мала, то скорость испарения близка к скорости газификации (рис. 56,а). Этот режим называется кинетическим. Он реализуется не только при очень быстрой вакуумной сублимационной сушке, но и при очень медленной сушке в том случае, если скорость газификации очень мала по сравнению со скоростью диффузии, например, в случае газификации высококипящих масел. В этом режиме давление паров воды у поверхности воды очень мало (практически равно нулю). Во-вторых, если воздух уже оказывает существенное противодействие перемещающимся молекулам воды, реализуется так называемый диффузионный режим испарения (или конденсации). В этом режиме давление паров воды у поверхности воды близко к равновесному. Если вдали от поверхности воды давление водяных паров в воздухе отличается от равновесного, то возникает диффузионный поток паров воды в воздухе (рис. 56,б). Процессы испарения воды с кожи человека как раз и являются диффузионными, а хомотермальный режим является частным случаем диффузионного режима в условиях полного отсутствия перепадов давления водяных паров в воздухе и, соответственно, полного отсутствия потоков водяных паров (отсутствия испарений и конденаций). 

Таким образом, увеличить скорость испарения воды в диффузионном режиме можно увеличив температуру воды или тел, содержащих внутри себя или на своей поверхности воду (и тем самым увеличив давление паров воды у сохнущей поверхности) и/или снизив давление паров воды в воздухе. Температура воздуха в бане на скорость испарения воды (и на скорость сушки) не влияет. Увеличить скорость сушки, кроме того, можно ещё в большей степени, организовав обдув поверхности потоком осушённого воздуха, поскольку при этом потоком сухого воздуха «сдуваются» от поверхности воды те молекулы воды, которые раньше конденсировались. 

При всей своей очевидности, сделанные выводы могут стать неожиданными для многих дачников, предполагающих, что полы лучше всего сушить горячим банным воздухом, увлекаемым принудительной вентиляцией в подполье. Но мы ведь уже неоднократно отмечали, что воздух в бане у полов охлаждается и осушается, то есть, нагревая полы, банный воздух в то же время увлажняет их. Воздух из бани (даже как бы «сухой») никогда нельзя выводить в подполье во избежание дополнительного увлажнения полов. 

Всё дело в том, что для эффективной сушки нужно иметь горячие поверхности полов, а не любой горячий воздух. Конечно, горячий воздух греет полы, но пока они нагреваются, они будут увлажняться, если точка росы горячего воздуха выше температуры полов. Ещё более важным фактором для эффективной сушки является низкая абсолютная влажность воздуха, а она достигается именно при низкой температуре воздуха. Само собой разумеется, полы в этом случае охлаждаются (как за счёт испарения воды, так и за счёт низкой температуры воздуха) и их надо греть, например, инфракрасным излучением от печи. С горячей поверхности вода испаряется даже в очень холодный воздух: только при этом испарившаяся вода может затем конденсироваться в туман с эффектом появления «клубов пара» вокруг поверхности. Конечно же, самым идеальным случаем была бы сушка полов в горячем состоянии горячим сухим воздухом, что может быть достигнуто применением специальных тепловоздуходувок (фенов) и забором воздуха с улицы. 

Для специалистов может представлять интерес анализ процессов сушки с помощью конденсационных кривых — теоретических зависимостей относительных влажностей воздуха от температуры воздуха при фиксированных абсолютных влажностях воздуха (то есть при фиксированных точках росы). Эти конденсационные кривые — полный аналог хомотермальной кривой, но построенные для других точек росы. Так, например, построив конденсационные кривые для точек росы 20 и 40°С (отвечающим характерным температурам пола и полка соответственно), легко видеть, что банный воздух с температурой 40°С и относительной влажностью 60% сушит полок, но увлажняет пол (рис. 57). Это значит, что при сушке бани надо поддерживать повышенную температуру именно пола, а не просто всей бани в целом.

Рис. 57. Теоретические зависимости относительной влажности воздуха от температуры воздуха при фиксированных абсолютных влажностях воздуха
Рис. 57. Теоретические зависимости относительной влажности воздуха от температуры воздуха при фиксированных абсолютных влажностях воздуха (то есть при фиксированных точках росы), называемые конденсационными кривыми. Построены для точек росы 20°С и 40°С и характеризуют, в частности, пол с температурой 20°С и полок с температурой 40°С. Если метеоточка воздуха (например, 40°С и относительная влажность 60%) находится ниже кривой, то воздух сушит, а если выше — увлажняет.

Механизм испарения воды изменяется, если на поверхности воды находится плёнка плохорастворимой (например, жировой) примеси. Плохая растворимость воды в жире означает, что давление насыщенных паров воды над жировой плёнкой мало. Лишь очень немногие молекулы воды, «выскочившие» из воды, способны пройти через жировую плёнку, а затем и газифицироваться. Режим испарения становится кинетическим, поскольку скорость испарения определяется скоростью газификации. Характерной чертой кинетического режима является то, что скорость испарения не зависит ни от влажности воздуха, ни от скорости обдува. Всем известно, что пережиренная грязная кожа очень плохо испаряет пот даже в сухом воздухе, обдувающем тело, но стоит только намочить грязную вспотевшую кожу водой, человек тотчас почувствует повышенное охлаждение тела за счёт испарения искусственно нанесённой чистой воды. Точно так же плохо испаряется вода с засаленных банных листьев и белёсых хлопьев нерастворимых мыл. 

Но испарить воду, конечно же, можно при сколь угодно толстой плёнке нерастворимой примеси. Для этого надо нагреть воду до температуры кипения. В таком случае давление пара возрастает до атмосферного (и выше) и просто «прорвёт» плёнку примеси точно так, как «пробулькивает» пар в кастрюле через слой жира на поверхности супа (рис. 56,в). Отметим при этом, что парциальное давление воздуха рв (равное давлению в бане за минусом давления водяных паров) у поверхности воды уменьшается, вследствие чего неминуемо возникает диффузионный поток молекул воздуха к поверхности, повышающий общее давление р у поверхности. В результате возникает «ветер», обозначенный на рисунках 56,б и 56,в стрелками с индексом V, дующий от поверхности и уносящий диффундирующие молекулы воздуха (а вместе с ними и пары воды) от поверхности воды. Этот «ветер» можно увидеть по движению (колебанию) тумана над «парящей» поверхностью воды. 

Кстати, забегая вперёд, отметим, что поступление кислорода к тлеющим дровам в печи происходит именно в диффузионном режиме. Если подуть на тлеющие дрова, то скорость испарения летучих из дров увеличивается, и возникает пламя (факел), представляющее собой ветер-поток летучих, сгорающих в диффундирующем к поверхности дров воздухе. Именно этот «ветер», дующий от поверхности дров, и «спасает» древесину от немедленного перегрева и «взрывного» разрушения в раскалённой печи, даёт возможность дровам сгорать постепенно. В любом случае испарение (будь то испарение воды или испарение летучих веществ из нагретой древесины) охлаждает поверхность, вследствие чего для поддержания испарения необходим постоянный подвод тепла к поверхности. 

Ярко выраженные потоки влажного воздуха при сушке могут иметь место в банях лишь на горячих, специально увлажняемых потолках саун, а также на раскалённых камнях каменки при поддаче на них воды. При больших скоростях испарения воды на камнях (при «сушке» мокрых раскалённых камней) скорость ветра приближается или даже начинает превосходить скорость звука, вследствие чего возникает знаменитый звук — хлопок при поддаче.

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)