Горячие полы и потолки в банях

Если на горячей поверхности располагается вода, то над поверхностью образуется воздушная среда, полностью насыщенная парами воды. Такой воздух является сырым и неблагоприятным для человека. В хаммамах с мокрыми каменными полами сырой воздух (как более лёгкий) всплывает вверх (см. рис. 187), разбавляется более сухим воздухом и как следствие может «осушиться» в том смысле, что может снижать свою относительную влажность. При этом необходимо, чтобы более высокорасположенные слои воздуха были достаточно прогреты, но такое в хаммамах обеспечивается далеко не всегда (ввиду отсутствия иных подогревателей, кроме полов), вследствие чего для хаммамов характерны туманы («тяжёлый пар»). Для устранения туманов и получения «лёгкого пара» практикуется способ подвода тёплого сухого воздуха через пол или в область над полом, чаще всего подогретого вентиляционного (приточного) воздуха (ирландские бани).

Рис. 187. Плотность абсолютно сухого воздуха (кривая 1) и максимально увлажнённого (сырого) воздуха со 100%-ной относительной влажностью (кривая 2)
Рис. 187. Плотность абсолютно сухого воздуха (кривая 1) и максимально увлажнённого (сырого) воздуха со 100%-ной относительной влажностью (кривая 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).

В русских банях для создания горячего осушенного воздуха («лёгкого пара») используется гигроскопический потолок (деревянный или оштукатуренный), который поглощает часть влаги из воздуха при поддачах либо сразу в виде паров, либо сначала конденсирует воду на поверхности (например, при сильных поддачах), а затем и впитывает. Основными недостатками такого потолка являются низкая влагоёмкость древесины и низкая площадь контакта воздуха с древесиной.

Говоря о низкой влагоёмкости надо в первую очередь иметь ввиду, что быстро увлажняется и насыщается поверхностный слой древесины, после чего относительно медленно влага распределяется по глубинным слоям древесины. Кроме того, для работоспособности древесины как осушителя необходимо обеспечить хорошую просушку потолка, что, например, в белых банях с кирпичными печами бывает затруднительно. Поэтому совершенствование потолков бань как парогенераторов мыслится в нескольких направлениях.

Во-первых, имеется возможность улучшения гигроскопических свойств древесины. Это достигается обработкой досок (брёвен) потолка веществами, вымывающими лигнин (например, горячими сульфитами серной кислоты, щёлочью), вследствие чего вскрываются дополнительные субмикронные поры. Можно термообработать древесину при высоких температурах, при которых начинается выход летучих в виде белого дыма. Можно обжечь древесину, увеличив тем самым её удельную поверхность, в том числе и за счёт образующихся следов сажи. Но наибольшую роль может сыграть пропитка древесины водными растворами солей, которые к тому же обеспечивают пожарную и биологическую защиту древесины. Дело в том, что растворы солей обладают свойствами гигроскопичности в том смысле, что давление водяных паров над ними меньше давления водяных паров над поверхностью чистой воды. Это объясняется тем, что при растворении соли (или иного вещества) молекулы соли заменяют собой часть молекул воды, и молекул воды в растворе становится меньше. Значит, и молекул воды, способных «улететь» с поверхности воды (испариться, газифицироваться), становится меньше. Так, если поставить рядом в эксикаторе (закрытой кастрюле) два стаканчика - один с чистой водой, а другой с водным раствором соли, то вода из стаканчика с чистой водой постепенно испарится и сконденсируется в стаканчике с раствором соли.

Равновесные относительные влажности воздуха над насыщенными растворами солей при 20°С составляют (СП23-101-2000):

Формула соли Без соли K2SO4 Na2C03 NaSOs KCl
Упругость водяных паров, Па 2338 2306 2090 2038 1968
Относительная влажность воздуха, % 100 98 89 87 84
Формула соли NaS04 NaCl NaBr Ca(N03)2
Упругость водяных паров, Па 1927 1807 1400 1288
Относительная влажность воздуха, % 82 77 60 55
Формула соли Na2S203 MgCk ZnBr2
Упругость водяных паров, Па 1051 771 230
Относительная влажность воздуха, % 45 33 10

При этом вязкость водяных растворов незначительно отличается от вязкости чистой воды. Так, если принять относительную вязкость чистой воды за единицу, то относительная вязкость водных растворов с концентрацией 1 моль/литр (примерно 60 г/л) при 25°С составит для 1,1 для NaCl и 0,99 для KCl.

Ещё меньше равновесные (остаточные) относительные влажности воздуха могут быть достигнуты над сухими (безводными) солями, которые называются осушителями (Б.В. Некрасов, Основы общей химии, М.: Химия, 1973 г.):

Формула соединения Чистая вода CuCo4 ZnCl2 CaCl2 NaOH
Упругость водяных паров, Па 2338 187 107 48 21
Относительная влажность воздуха, % 100 8.0 4.6 2.1 0.9
Группы соединения H2SO2 KOH Mq(CLO4)2 P2O5
Упругость водяных паров, Па 0.40 0.26 0.06 0.0027
Относительная влажность воздуха, % 0.02 0.01 0.003 0.0001

 

Рис. 188. Температуры кипения при атмосферном давлении (1) и температуры плавления (замерзания) водных растворов хлористого кальция с различной массовой концентрацией соли в растворе.
Рис. 188. Температуры кипения при атмосферном давлении (1) и температуры плавления (замерзания) водных растворов хлористого кальция с различной массовой концентрацией соли в растворе. Растворимость хлористого кальция при 20°С в воде 0,5 кг/литр Н₂О.

Уменьшение равновесной относительной влажности над раствором означает, что температуры кипения растворов всех этих соединений превышают 100°С. Так, например, для хлористого кальция, используемого ныне наряду с каменной солью как антиобледенительное средство для автомобильных дорог в городах (в частности, марки ХКМ — хлористый кальций модифицированный), повышения температуры кипения весьма существенны (рис. 188). Как следствие, дороги обработанные хлористым кальцием зимой не обледеневают, а летом остаются мокрыми (непыльными).

Указанные свойства солей играют в нашей жизни очень большую роль. Так, к специфическим факторам жизнедеятельности человека (и вредным и полезным — консервирующим одновременно) относится солёность пота. Пот содержит 0,5% поваренной соли (то есть содержит 5 г/литр хлорида натрия NaCl), вследствие чего равновесное давление водяных паров над потом меньше, чем над чистой водой. Это приводит к уменьшению скорости испарения пота с кожи и к уменьшению мощности охлаждения тела человека. Человек в повседневной жизни выделяет в среднем 1 литр пота в сутки, содержащего 5 г соли. Поскольку жидкая фаза испаряется, а соль остаётся на коже и накапливается, то уже через день после принятия душа при выделении испарины в объёме 10 мл на коже будет достигнуто состояние насыщенного солевого раствора, соответствующее табличной растворимости NaCl в воде 359 г/литр. Это значит, что поверхность солёной кожи не будет испарять пот. Эпидермис кожи при этом не пересушивается, но человек чувствует себя дискомфортно. Поэтому очень важно ежедневно обливаться или обтираться мокрым полотенцем, что придаёт ощущение лёгкости за счёт лучшего испарения пота. Из таблицы следует, что особо плохо чувствует себя человек при относительной влажности воздуха выше 77%. Помогает также впитывание пота хлопчатобумажной одеждой, которая постепенно пропитывается солью и перестаёт со временем удалять соль с кожи. Так или иначе, хоть человек и связан непрерывно с поваренной солью и не может без неё жить (а земная атмосфера содержит до 105 г/л частиц соли, образующихся при испарении брызг морской воды), обильный пот и в бане, и в повседневной жизни желательно тотчас либо вытирать, либо смывать — именно тогда человек имеет эффективную возможность охлаждаться испаряющимся потом. В сухих саунах пот не вытирают и не смывают, поскольку накапливающаяся на коже соль способна ещё более усиливать эффект нагрева тела за счёт угнетения процесса испарения пота. По этой же причине в саунах смазываются в косметических целях мёдом именно с солью, предотвращающей пересушивание кожи в сухой сауне (а растворимость сахара также велика и составляет 0,2 кг/литр при 15°С и 0,5 кг/литр при 100°С). В физиотерапии в целях имитации морского климата практикуют вдыхание мелкодисперсной поваренной соли (галоингаляционная терапия), препятствующее пересыханию слизистых оболочек бронхов и увеличивающее количество мокроты. На морских пляжах солёная вода на теле препятствует потоотделению, а при высушивании соль на теле «вытягивает» влагу из кожи, и она «стягивается». Причём наибольшую роль играют соли с большей мольной растворимостью, а именно бромистые и йодистые (см. рис. 189). Древесина и ткани, пропитанные соленой водой, более влажные и хуже гниют в земле из-за высокой влажности. Точно также деревянные бочки, пропитавшиеся соляными растворами (например, для засолки огурцов), всегда остаются мокрыми снаружи, хотя чистая сухая поваренная соль не гигроскопична.

Рис. 189. Температурные зависимости растворимости галидов щелочных металлов.
Рис. 189. Температурные зависимости растворимости галидов щелочных металлов.

В то же время пропитки водорастворимыми неорганическими веществами могут и снижать гигроскопичность древесины. Например, пропитка спиртовым раствором хлористого алюминия снижает гигроскопичность древесины из-за последующего окисления (гидролиза) с образованием оксихлоридов и гидроокисей алюминия, забивающих поры. Поэтому хлористые соединения алюминия, титана, циркония (чаще в виде оксихлоридов) применяются и в качестве антиперспирантов (препаратов для уменьшения потовыделения за счёт закупорки потовых пор и протоков). Пропитка древесины раствором сахара с последующим нагреванием (карамелизацией) тоже снижает гигроскопичность и равновесную влажность древесины (до 2 раз). Отметим, что препараты, снижающие гигроскопичность древесины и тем самым предохраняющие от биоразрушений (в том числе и пропитки смолами), отличаются от любых влагоизолирующих поверхностных покрытий (красок) самым кардинальным образом, поскольку покрытия (обычно имеющие трещины и маленькую толщину) не предотвращают диффузионный влагообмен и лишь удлиняют время для достижения равновесия между водой в капиллярах и паром в воздухе.

Рис. 190. Парогенерирующие потолки, разогреваемые и увлажняемые паром из каменки
Рис. 190. Парогенерирующие потолки, разогреваемые и увлажняемые паром из каменки: а — непористый (каменный, металлический и т. п.) потолок, не впитывающий росу и создающий сырой воздух; б — пористый гигроскопический потолок (деревянный, штукатурный, керамический и т. п. в-м — пояснения в тексте

Возвращаясь к препаратам, увеличивающим гигроскопичность древесины и штукатурок, отметим, что чем гигроскопичней материал, тем лучше его надо просушивать перед использованием и тем лучше надо организовать его контакт с воздухом в бане. Без выполнения этих условий реализовать преимущества высокогигроскопических материалов невозможно. Действительно, если потолок гладкий (непористый или пористый), то пар увлажняет верхний припотолочный слой воздуха, и этот увлажнённый воздушный слой так и остаётся наверху, поскольку влажный воздух (а тем более тёплый) имеет пониженную плотность. Можно легонько перемешивать припотолочный воздух рукой или веником так, чтобы воздушные потоки не опускались, но обтекали потолок. Можно увеличить площадь контакта древесины с воздухом с помощью брусовых или бревенчатых балок, желательно растрескавшихся (рис. 190,в), или вертикально навешенных (набитых) на потолок досок, образующих глубокие застойные пазухи (рис. 190,г). Древесину лучше располагать волокнами не горизонтально (рис. 190 б, в, г), а вертикально (рис. 190,д), торцами досок, брёвен или брусьев вниз, можно разновысотно для увеличения площади контакта и для придания декоративных свойств. Такой «мощёный» потолок легко армировать металлическими листовыми или стержневыми вставками, передающими тепло в глубинные слои древесины (рис. 190,е). Ещё более развитую поверхность контакта древесины с воздухом можно получить с применение диспергированной древесины — щепы, опилок, стружек, укладываемых на решётку (сетку) под потолком (рис. 190,ж). В качестве высокогигроскопических материалов можно использовать ткани из природных материалов (хлопка, льна, шерсти и т. п.), развешенных на потолке (рис. 190,з), а также бумажные материалы (картоны, папье-маше и т. п.) на решётке (рис. 190,и). Все вышеупомянутые примеры изготовления гигроскопических потолков работают с увлажнением и нагревом снизу за счёт конденсации пара из каменки. Но гигроскопические потолки вполне работоспособны и при увлажнении гигроскопического материала компактной (капельной) жидкостью (рис. 190 к, л, м) и нагревом от трубчатых нагревателей как водных, так и электрических (рис. 190,л) и/или инфракрасных обогревателей (рис. 190,м) и/или любых иных источников тепла. Принципиально новые возможности этих схем открываются при использовании систем «дыхания» потолков, включающих фильтрацию увлажняемого воздуха через слой гигроскопического материала при засасывании воздуха из помещения с последующим выпуском (выдохом) увлажнённого воздуха в помещение (рис. 190,к). Такой дышащий потолок «с мехами» имитирует систему дыхания человека (который также увлажняет воздух в помещении), но если человек не может дать воздух с метеопараметрами выше хомотермальной кривой, то более высокотемпературный поток может обеспечить паровой режим бани, в том числе и с «лёгким паром». Принцип «дыхания» (с постоянным движением воздуха туда и обратно) можно заменить принципом однонаправленного продува потолка приточным воздухом или рециркуляционным. В этом случае потолок превращается в увлажняющий узел кондиционера, то есть преобразуется в отдельный прибор, который может быть установлен в любой точке помещения, а не только у потолка. Можно и просто брызгать на горячий потолок мокрым веником.

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)