Теория бань

Наиболее удачным парогенератором для бань является каменка — куча (засыпка) камней (или чугунных чушек), нагретых до высокой температуры 400–700 °C. 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 °C. 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.

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 °C, а исходная температура воздуха 0 °C, 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 °C и абсолютно сухого воздуха с температурой 0 °C. Но если происходит смешивание абсолютно сухого воздуха с температурой 40 °C с «чистым» паром с температурой 140 °C, 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).

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 °C и ниже, то прозрачный начальный участок струи отсутствует: «клубы пара» исходят прямо из носика.

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