Теория бань

Конвективная теплопередача наблюдается только при движении воздуха. Если в случае кондуктивной теплопередачи каждая энергичная молекула с трудом мигрирует среди других молекул воздуха из горячей зоны в холодную, то в случае конвективной теплопередачи все энергичные молекулы могут разом «сдуться» ветром в составе всей массы воздуха из горячей зоны в холодную. Конвективный теплопоток равен q_кoнв(кBт/м²)= С_рV(Т

₁-Т₂)=1,ЗV(Т₁-Т₂), где С_р

и — массовая теплоёмкость и плотность воздуха, V — скорость перемещения воздуха (ветра) в м/сек, Т₁ и Т₂ — температуры горячей и холодной зон в °С. Именно эта конвективная теплопередача имелась в виду в разделе 5.5 при рассмотрении аэродинамики бани. Так, металлическая печь нагревает вокруг себя воздух до температуры Т₁, этот горячий воздух постоянно «сдувается» потоком ветра (конвективным потоком) и заменяется на холодный воздух с температурой Т₂, который в свою очередь начинает нагреваться от стенки печи. При этом воздух, контактирующий с горячей поверхностью, вовсе не обязан успеть нагреться до температуры поверхности. Нагревается до температуры поверхности лишь тонкий пристеночный слой, причём скорость его скольжения вдоль поверхности может быть много меньшей, чем скорость всего набегающего газового потока.

Если горячий воздушный поток поступает, например, сверху вниз с потолка на холодный пол (или на тело человека), то лишь небольшая (по экспериментальным оценкам примерно одна двухсотая) доля тепловой энергии горячего воздуха отдаётся самому полу. Это объясняется той банальной причиной, что не весь горячий воздух из набегающего потока может вступить в контакт с холодным полом, а лишь очень небольшая его доля. Если поток воздуха ламинарный (то есть не имеет завихрений — турбулентностей), то теплоотдача от поверхности в набегающий поток воздуха в теории бассейнов численно равна q_кoнв(кBт/м²)=0,006VT, где V — скорость движения воздуха в м/сек, Т — разница температур воздуха и поверхности. Для ориентировки приведём характеристики силы ветра по шкале Бофорта (Сборник «Путеводитель по цифрам и фактам», М.: Рипол-Классик, 2002):

Ясно, что очень большие скорости ветра в бане могут быть реализованы, может быть, лишь в молодёжных банных аттракционах будущего. В реальных банях скорости воздуха не превышают 5–7 м/сек при использовании вентиляторов и 1–3 м/сек при использовании веников. В носоглотке скорость движения воздуха при вдохе составляет 2-10 м/сек. Под напором ветра понимается избыточное статическое давление, образующееся при торможении ветра перед преградой и равное V²/2, где V — скорость ветра. Напомним, что 1 атм= 100000 Па= 750 мм рт. ст.

На рис. 45 представлены тепловые потоки на тело человека в хомотермальных условиях (или в режимах ниже хомотермальной кривой при сухой коже), когда процессы испарения и конденсации невозможны. Все три слагаемых суммарного теплового потока (кондуктивная, конвективная и лучистая составляющие) возрастают с температурой бани и при 100 °C составляют примерно по 0,5 кВт/м²

, а в сумме 1,5 кВт/м². Такие тепловые нагрузки превышают энерговыделения от тяжёлой физической работы и находятся на уровне воздействия солнечного излучения. Это означает, что могут быть реализованы жаркие климатические условия, но ни о каких обжигающих эффектах в этих режимах говорить не приходится.

Рис. 45. Тепловой поток на тело человека (безразлично с мокрой или сухой кожей) в изотермической бане с температурой Т и скоростью движения воздуха 1 м/сек в хомотермальном режиме (кривая 1). Зона 2 отвечает вкладу кондуктивной составляющей теплового потока. Зона 3 — вклад конвективной составляющей при скорости движения воздуха 1 м/сек. Зона 4 — вклад лучистой составляющей, равной разнице потоков излучения от стен и от тела человека [(Т+273)⁴-(40+273)⁴].

Вклад конвективной составляющей на рис. 45 рассчитан для условного уровня скоростей перемещения воздуха 1 м/сек, характерных для лёгких движений веника и перемещений человека в бане. При отсутствии воздушных потоков конвективная составляющая равна нулю. При больших скоростях потоков воздуха, например, в носоглотке, конвективная составляющая может стать преобладающей.