Вышеописанные способы парения веником, конечно же, являются устаревшими процедурами, представляющие сегодня интерес лишь для любительских бань. Вряд ли они когда-нибудь возродятся в массовом порядке в городах в мытных (гигиенических) и физиотерапевтических (лечебных) целях. Устарела конструктивно и сама русская парная белая баня. Тем не менее, анализ русских способов парения может быть положен в основу разработки современных аппаратов — кондиционеров, вырабатывающих потоки воздуха заданной температуры и влажности, в частности, для парения в банных аттракционах аквапарков.

С другой стороны, в любительских банях (как в русских, так и в финских) с вениками связывается порой вся красивая народная мудрость и глубинная суть паровой процедуры. Причём, если декоративная сторона вопроса (в части «правил» манипуляций с веником) вполне ясна (хотя условна и спорна), то более сложные технические аспекты объяснить порой не могут даже самые уважаемые знатоки бань. В первую очередь это касается способов увлажнения воздуха в бане, поскольку без «пара» (так называется в бане горячий влажный воздух) парение (в том числе и веником) невозможно. Чаще всего на практике пользуются тремя народными принципами: во-первых, «чем больше пара, тем больше жара»; во-вторых, «чем горячей (бойчей) пар, тем легче жар»; в-третьих, «бери (веником) пар там, где жар». Но помимо этой нехитрой мудрости надо знать определённо, как этот «пар» получать, в каком количестве и куда его направлять.

Сам по себе принцип увлажнения воздуха в бане в самом общем случае заключается в вводе в баню не чисто водяного пара из парогенератора, а увлажнённого воздуха, имеющего более высокую влажность, чем воздух в бане. Такой высоковлажный воздух должен вырабатываться специальным генератором горячего влажного воздуха, так называемым кондиционером, который представляет собой паровой котёл (чайник), продуваемый воздухом. Если температуры влажного воздуха из кондиционера, воздуха в бане, стен, потолков и пола бани равны между собой, то перемешивание можно вести любыми способами: всё равно рано или поздно всё благополучно перемешается без выпадения конденсата. Но в том то и дело, что температура влажного воздуха из кондиционера обычно намного выше температуры воздуха и стен в бане, и именно этот факт обеспечивает возможность высокой влажности воздуха в кондиционере. В этих условиях процессы смешивания связаны с охлаждением высоковлажного воздуха, что может вызывать конденсацию водяных паров с образованием тумана (клубов пара) или росы.

Прежде всего отметим, что подобные банные кондиционеры до сих пор не выпускаются, поэтому любителю бань приходится изготавливать их самостоятельно. Простейшим и древнейшим кондиционером выступает само помещение бани (парилки), в котором смешивается воздух бани с паром из парогенератора (то есть из кондиционера с нулевым содержанием воздуха). Широко рекламируемые ныне парогенераторы для саун и пародушевых кабин, представляющие собой открытые сверху сосуды (бачки) с электронагревателем (кипятильники, чайники), для белых бань не пригодны ввиду малой скорости парообразования. При электрической мощности 1,3 кВт (220 в, 6 а) парогенератор выдаёт около 1,5 кг пара в час (теоретически до 2 кг в час) с температурой 100°С. Необходимые для увлажнения воздуха в бане 0,5 кг пара будут выработаны в течение 20 минут. Но поскольку скорость циркуляции воздуха в бане с теплоотдачей печи 2 кВт составляет 12 раз в час, то одновременно с увлажнением за 20 минут воздух три раза проходит вдоль холодных стен и пола и, естественно, неминуемо осушается. Легко подсчитать, что с помощью такого парогенератора абсолютную влажность воздуха можно повысить не более, чем на 0,015 кг/м³. Это, конечно, чувствительно для мытной бани, но паровой режим (тем более экстремальный для любительского парения веником) получить невозможно.

Для достижения абсолютной влажности воздуха более 0,05 кг/м³ в рассматриваемой нами бане необходимо испарить 0,5 кг пара за время не более 2-3 минут. При этом мощность парогенератора должна превышать 10-15 кВт. Электропарогенераторы такой мощности (до 150 кВт) давно уже производятся отечественной промышленностью в массовом количестве для использования в строительстве (пропарка бетона, отогрев обледенелых конструкций и т. д.), в производстве (обогрев химаппаратов, пропарка сосудов, приготовление пищевых продуктов и т. д.), в прачечных, банях, столовых, кухнях и т. д. Ещё более распространены парогенераторы на твёрдом, жидком и газообразном топливе (так называемые паровые котлы для множества назначений). Все эти аппараты могут оказаться полезными лишь в крупных общественных банях из-за высокой установочной мощности. В любительских банях невольными парогенераторами мощностью 10 кВт могут стать котлы с водой (водогрейные баки), вмурованные в печь и омываемые дымовыми газами. При нежелательном закипании воды в таком котле баня заполняется клубами «тяжёлого липкого» пара (точно так же, как в плохо вентилируемых кухнях и особенно прачечных). Такая баня называется сырой и для парения в большинстве случаев не пригодна. Это указывает на то, что в банях важно не только количество вводимого в баню пара и не только скорость ввода пара, но и метод ввода.

Наиболее удачным парогенератором для бань является каменка — куча (засыпка) камней (или чугунных чушек), нагретых до высокой температуры 400-700°С. Каменка является теплоаккумулирующим устройством, долго (часами) запасающим тепловую энергию от теплового источника относительно невысокой мощности (до 20-50 кВт) и способным затем быстро (за секунды) испарять большие количества воды. Вырывающаяся из каменки струя чистого пара смешивается с воздухом бани, создавая высоковлажную паровоздушную смесь с точкой росы выше 40°С. Это смешение может производиться по-разному. В этом разделе мы рассмотрим прямое смешение пара и воздуха в турбулентном режиме. В разделе 7.8 мы рассмотрим противоположный случай — увлажнение паром потолка с последующим увлажнением воздуха испарениями с потолка.

Рис. 53. Схема образования турбулентного пограничного слоя между струей пара и неподвижным воздухом. Крупные белые стрелки — вихри пара. Крупные чёрные стрелки — вихри воздуха, подсасываемого в струю пара.

Рис. 54. График для определения возможности выпадения тумана при смешивании пара с воздухом. 1 — температурная зависимость равновесной (максимально достижимой) массовой доли водяных паров в воздухе (соответствует температурной зависимости давления насыщенного водяного пара на рис. 23), ниже кривой — прозрачный пар, выше кривой — туман; 2, 5, 6, 7 — зависимости температуры смеси пара с абсолютно сухим воздухом при различных массовых долях вводимого пара, представляют собой прямые, соединяющие значения температуры пара по верхней оси абсцисс и значений температуры воздуха по нижней оси абсцисс; 2 — для температуры пара 100°С и температуры абсолютно сухого воздуха 0°С, 5, 6, 7 — для температуры абсолютно сухого воздуха 40°С и температур пара 100, 120, 140°С соответственно. По стрелке 3 считываются состояния струи абсолютно сухого воздуха, истекающей в пар, а по стрелке 4 — струи пара, истекающей в абсолютно сухой воздух. В соответствии со стрелкой 4 струя пара с температурой 100°С при смешении с воздухом сразу же преобразуется в струю тумана, так как кривая 2 располагается выше кривой 1. В соответствии со стрелкой 8 струя пара с температурой 120°С при смешении со всё большими массами воздуха сначала невидима, затем преобразуется в струю тумана, а потом снова становится невидимой (см. рис. 55). Струи пара и воздуха на прямой 7 смешиваются без образования тумана. Если воздух влажный, то состояние воздуха описывается не точками на нижней оси абсцисс, а точками над осью абсцисс, например, метеоточкой 9. В таком случае избежать появление тумана можно лишь при температурах пара выше 300° С (см. прямую 10).

Смешение струи пара с воздухом обычно происходит турбулентно: на границе движущегося пара по причинам газодинамической неустойчивости появляются перемешивающиеся между собой вихри, образующие пограничный турбулентный слой, переходящий затем в турбулентный след, состоящий из смеси хаотично смешивающихся вихрей пара и воздуха (рис. 53). Пар и воздух в соприкасающихся тонких струйках быстро обмениваются веществом и энергией. Струйки пара охлаждаются, отдают молекулы пара в воздушные струйки и взамен получают молекулы воздуха. Струйки же воздуха нагреваются, отдают в струйки пара молекулы воздуха и взамен получают молекулы пара. Создаётся весьма сложная картина внутренних течений и массотеплообмена в общей турбулентно смешивающейся струе, поднимающейся к тому же вверх (всплывающей) за счёт архимедовых сил. Разбираться в этом на «молекулярном» уровне сложно да и не нужно. Достаточно понять, что в каждый определённый момент времени в каждый объём пара в каждой струйке подмешивается какой-то объём воздуха и, наоборот, в каждый объём воздуха подмешивается какой-то случайный объём пара. Поскольку температура воздуха принята ниже температуры пара, то каждый объём пара по мере подмешивания воздуха будет постепенно охлаждаться, причём в предположении близости теплоёмкости воздуха и пара пропорционально массе подмешанного воздуха (рис. 54). Так, если исходная температура пара была равной 100°С, а исходная температура воздуха 0°С, то температуры смеси пара с воздухом будут описываться прямой 2. Эта прямая отражает тривиальный факт, что параметры смеси (температура и абсолютная влажность) есть среднее арифметическое параметров исходных компонентов (воздуха и пара). При этом по стрелке 3 будут считываться температуры нагревающегося при смешивании воздуха, а по стрелке 4 — температуры охлаждающегося при смешивании пара. Поскольку вся прямая 2 находится выше кривой 1, отвечающей плотности насыщенных паров воды, возможно, а при длительном контакте и неизбежно выпадение конденсата в виде тумана («клубов пара») при любом смешивании «чистого» пара с температурой 100°С и абсолютно сухого воздуха с температурой 0°С. Но если происходит смешивание абсолютно сухого воздуха с температурой 40°С с «чистым» паром с температурой 140°С, то туман образоваться уже не может ни при каких условиях, поскольку прямая 7 целиком располагается ниже кривой 1. Если исходный воздух влажный, то вероятность туманообразования резко увеличивается (прямая 10).

Рис. 55. Широкоизвестная структура струи перегретого пара в воздухе в самом общем виде: 1 — пароподающее отверстие, 2 — невидимая зона турбулентной струи, 3 — зона интенсивного туманообразования («клубы пара»), 4 — рассеивающийся туман (дымка), 5 — зона испарившегося тумана (увлажнённый воздух).

В самом же общем случае процесс смешивания струи пара с воздухом характеризуется прямой 6: при считывании по стрелке 8 струя пара в первые моменты смешивания с воздухом сохраняется прозрачной, затем появляется туман, после чего туман испаряется, и струя вновь становится прозрачной (рис. 55). Такая картина известна каждому по истечению пара из чайника с раскалённым над газом носиком. Если же носик чайника не перегрет и имеет температуру 100°С и ниже, то прозрачный начальный участок струи отсутствует: «клубы пара» исходят прямо из носика.

Отметим, что невидимые глазом прозрачные области струи пара 2 и 5 (рис. 55) отличаются кардинально. Паровоздушная смесь в зоне 2 имеет высокую точку росы порядка 100°С и способна выделить конденсат (росу или туман и теплоту конденсации) практически везде и на всём, что есть в бане. Паровоздушная же смесь в зоне 5 представляет собой по существу увлажнённый воздух с точкой росы менее 40°С и потому способна выделить конденсат лишь на холодных полах. Действительно, паровоздушная смесь в зоне 5 образуется вследствие испарения тумана, а поэтому вновь сконденсироваться физически может лишь при температурах ниже температуры испарения тумана. Зона 2 соответствует экстремальным паровым баням, зоны 3 и 4 — туманным сырым баням (3 — обжигающим, 4 — душным), зона 5 — холодным влажным помещениям (рис. 55).

Таким образом, из рис. 54 однозначно следует, что для предотвращения образования тумана необходимо повышать температуру струи пара. Именно этим руководствуются в белых банях, повышая температуру каменки. Однако имеется и другой путь — подавать пар в зоны высоких температур воздуха, например, в припотолочные зоны бани. На рис. 54 видно, что пар с температурой 100°С не может дать туман, если воздух сухой и нагрет до температур выше 90°С. При этом, однако, чем выше влажность воздуха у потолка, тем до более высокой температуры надо его нагреть для предотвращения образования тумана при подаче пара под потолок.

Источник: Теория бань. Хошев Ю.М. 2006