Русская баня

Маслов Виктор

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Газовая оболочка земли - атмосфера - является частью биосферы. Она состоит из 75,55% азота, 23,1 % кислорода и 1,35 % инертных и прочих газов. Соотношение количеств этих компонентов в атмосферном воздухе стабильно.
Кроме того, в атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяных паров, которое может изменяться в значительных пределах. Смесь сухого газа с водяным паром называют влажным газом или влажным воздухом. Каждый газ, в том числе и пар, входящий в состав смеси, занимает тот же объем, что и вся смесь, имеет температуру смеси и находится под своим парциальным давлением Pi, Па, которое определяют по уравнению Клапейрона. Сумма парциальных давлений газовых компонентов смеси равна полному давлению смеси (закон Дальтона). Барометрическим давлением атмосферного воздуха Pв называют сумму парциальных давлений сухой его части (Pс.в.) и водяного пара (Pп):
Pв. = Pс.в. + Pп.
Барометрическое давление измеряют в Паскалях. Значение парциального давления компонента смеси в состоянии полного насыщения называют парциальным давлением насыщения Pн. , или упругостью насыщенного пара.
Смесь, состоящую из сухого воздуха и перегретого водяного пара, называют ненасыщенным влажным воздухом, а смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного пара, - насыщенным влажным воздухом.
Относительная влажность φ (%) паровоздушной смеси представляет собой отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха к концентрации водяного пара насыщенного воздуха при одинаковых температурах и давлениях:
φ (%) = ωп. • 100 ⁄ ωп.н. = Pп. • 100 ⁄ Pп.н.
где ωп - концентрация водяного пара ненасыщенного воздуха, кг/м³; ωп.н - концентрация водяного пара насыщенного воздуха, кг/м³; Pп и Pп.н - соответственно парциальные давления ненасыщенного и насыщенного пара при температуре паровоздушной смеси.
Для насыщенного воздуха φ = 100 %.
Вес, или точнее масса, водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха a (г/м³).
При одной и той же температуре воздух может поглотить вполне определенное количество водяного пара и достичь состояния полного насыщения. Абсолютная влажность воздуха в состоянии его насыщения (в точке росы) носит название влагоемкости (А).
Величина влагоемкости воздуха резко возрастает с увеличением его температуры. Отношение величины абсолютной влажности воздуха (a) при данной температуре к величине его влагоемкости (А) при той же температуре равно относительной влажности воздуха φ (%).
φ (%) = а • 100 ⁄ А ;
Для определения температуры Т и относительной влажности воздуха φ пользуются специальным прибором - психрометром. Психрометр состоит из двух термометров. Шарик одного из них увлажняется с помощью марлевого чехла, конец которого опущен в сосуд с водой. Другой термометр остается сухим и показывает температуру окружающего воздуха. Смоченный термометр показывает температуру более низкую, чем сухой, так как испарение влаги из марли требует определенного расхода тепла. Температура смоченного термометра носит название предела охлаждения. Разность между показаниями сухого и смоченного термометров называется психрометрической разностью.
Между величиной психрометрической разности и относительной влажностью воздуха φ имеется определенная зависимость. Чем больше психрометрическая разность при данной температуре воздуха, тем меньше относительная влажность воздуха φ и тем больше влаги может поглотить воздух. При разности равной нулю воздух насыщен водяным паром и дальнейшего испарения влаги в таком воздухе не происходит.
Абсолютная влажность воздуха a (г/м3 ) связана с его относительной влажностью φ(%) следующей зависимостью:

а = 217 • Рп. / Т = 2,17 • Рп.н. • φ / (t + 273);
тогда для φ = 100%

A = 2,17 • Рп.н. / ( t+273) ;

Таблица 1 Значения давления насыщенного пара Pп.н. и влагоемкости А для различных температур t.

Вычисление температуры в точке росы воздуха

Точка росы определяется как температура, при которой парциальное давление водяного пара Pп. равно парциальному давлению насыщенного пара Pп.н. в воздухе. Физический смысл этой величины состоит в том, что она характеризует температуру, при которой из влажного воздуха начинает конденсироваться влага.

Точка росы однозначно определяется величиной парциального давления водяного пара в воздухе и может быть рассчитана с помощью таблицы 1.

Пример 1.
Парциальное давление водяного пара в воздухе равно 12 кПа.
Для нахождения точки росы влажного воздуха необходимо найти в столбце "pп.н., кПа" таблицы1 соответствующее значение давления насыщенного пара. Из таблицы находим, что значению 12 кПа соответствует температура около 50ºС.

Таким образом, точка росы воздуха с парциальным давлением водяного пара 12 кПа составляет 50ºС.

Пример 2.
Относительная влажность воздуха в бане при температуре 100ºС составляет 10% (t/φ = 100/10).
Определить точку росы воздуха.

1. Определяем давление насыщенного водяного пара при температуре 100ºС, используя таблицу1.
Получаем 101 кПа.
2. Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе при φ = 10% :
Pп. = Pн.п. • φ / 100 = 101 • 10 / 100 = 10,1 кПа.
3. Из таблицы 1 находим, что значению 10,1 кПа соответствует температура около 46ºС.

Таким образом, точка росы воздуха с параметрами t/φ = 100/10 составляет около 46ºС.
Значит, при вдыхании этого воздуха в дыхательных путях будет конденсироваться влага.
Этот воздух, хоть и относительно сухой (10%), но душный («тяжелый»).

Пример 3.
Относительная влажность воздуха φ в русской бане при t = 60ºС составляет 60% (t/φ = 60/60).
Определить точку росы воздуха.

1. Определяем давление насыщенного водяного пара при t =60ºС, используя таблицу1.
Получаем 20 кПа.
2. Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе:
Pп. = Pн.п. • φ / 100 = 20 • 60 / 100 = 12 кПа.
3. Из таблицы 1 находим, что значению 12 кПа соответствует температура около 50ºС.

Таким образом, точка росы воздуха с параметрами t/φ = 60/60 составляет около 50ºС.
При вдыхании этого воздуха в дыхательных путях будет конденсироваться много влаги.
Это очень душная атмосфера для бани, находиться в ней можно не более 10-15 минут, как во влажной турецкой бане при t/φ = 50/100.

Пример 4.
Относительная влажность воздуха в летний день при температуре 30ºС составляет 55% (t/φ = 30/55).
Определить точку росы воздуха.

1. Определяем давление насыщенного водяного пара при температуре 30ºС, используя таблицу1.
Получаем 4,3 кПа.
2. Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе:
Pп. = Pн.п. • φ / 100 = 4,3 • 55 / 100 = 2,4 кПа.
3. Из таблицы 1 находим, что значению 2,4 кПа соответствует температура около 20ºС.

Таким образом, точка росы воздуха с параметрами t/φ = 30/55 составляет около 20ºС.
Значит при охлаждении этого воздуха ниже 20 ºС будет образовываться туман (пересыщенный пар). Вдыхание такого пересыщенного пара (тумана) никак не может приводить к конденсации влаги в дыхательных путях и, следовательно, не может возникнуть ощущение духоты (душности воздуха).

Пример 5.
Температура воздуха в доме, где расположена баня при относительной влажности 60% равна 25ºС (t/φ = 25/60).
Определить – какая будет относительная влажность этого воздуха в парилке при температуре 45ºС?

1. Определяем давление насыщенного водяного пара при температуре 25ºС, используя таблицу1.
Получаем 3,2 кПа.
2. Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе:
Pп. = Pн.п. • φ / 100 = 3,2 • 60 / 100 = 1,92 кПа.
3. Находим по таблице1 давление насыщенного водяного пара при температуре 45ºС.
Получаем 9,6 кПа.
4. Определяем относительную влажность при температуре 45ºС:
φ = 1,92 • 100 / 9,6 = 20%
Т. О., относительная влажность этого воздуха в парилке при температуре 45ºС станет равной 20%.

Пример 6.
Начали вдвоем прогреваться в герметичной керамической бане (РБМ) при температуре воздуха 45ºС и относительной влажности 20%. Через тридцать минут относительная влажность поднялась до 60%.

Определить - какое количество пота испарилось в парной, если габариты парной 2,0 • 2,5 • 2,2 м.

1. Находим количество влаги в 1 м3 воздуха с относительной влажностью 20% при температуре 45ºС:
а (20%) = 0,20 • 65 = 13 г.
2. Определяем по таблице 1, что в 1 м3 воздуха при температуре 45ºС с относительной влажностью 100% содержится 65 г воды.
А (100%) = 65 г.
3. Находим количество влаги в 1 м3 воздуха при температуре 45ºС и относительной влажности 60%:
а (60%) = 0,60 • 65 = 39 г.
4. Находим количество влаги которое необходимо добавить в 1 м3 воздуха при температуре 45ºС, чтобы увеличить его относительную влажности с 20% до 50%:
∆m = а (60%) - а (20%) = 39 – 13 = 26 г/м3.
5. Находим объем помещения:
V = 2,0 • 2,5 • 2,2 = 11 м3
6. Определяем дополнительное количество влаги ∆М:
∆М = ∆m•V = 26 • 11 = 286 г.
Таким образом, только 286 грамм пота испарившись перешло в воздух парной, повысив его относительную влажность с 20 до 60%, а остальной пот около 0,35 литра (по результатам взвешивания) растекся лужами по лежакам и полу.

Вопрос: А какова будет точка росы такого воздуха t/φ = 45/60?

1. Определяем давление насыщенного водяного пара при температуре 45ºС, используя таблицу1.
Получаем 9,6 кПа.
2. Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе:
Pп. = Pн.п. • φ / 100 = 9,6 • 60 / 100 = 5,76 кПа.
3. Из таблицы 1 находим, что значению 5,76 кПа соответствует температура около 36ºС.

Таким образом, точка росы воздуха с параметрами t/φ = 45/60 составляет около 36ºС.
При вдыхании этого воздуха (тропического) в дыхательных путях конденсат еще образовываться не будет.
Но это для t = 45ºС уже критическая влажность, при которой полностью прекращается вентиляция легких.
То есть, при остывании вдыхаемого воздуха в легких до 36ºС, φ станет равной 100%, и собственный выпот в легких перестанет испаряться. По мере прогрева и увеличения потоотделения дышать становится все труднее. Необходимо проветривать парную, чтобы снизить влажность.

Необходимо отметить, что приведенные выше расчеты точки росы справедливы только для изобарических процессов, т.е. процессов, протекающих при постоянном давлении.

Маслов Виктор

Диаграмма абсолютной влажности воздуха.

В предыдущем разделе мы провели несколько практических расчетов параметров влажного воздуха, используя таблицу 1: давление насыщенного пара Рп.н. как функцию температуры (t).
На практике гораздо нагляднее и удобнее пользоваться диаграммами.

Для нашего анализа параметров «легкого» и «тяжелого» воздуха в бане нам потребуется диаграмма абсолютной влажности воздуха (а) как функция температуры (t) и относительной влажности (φ). Используя ранее приведенную формулу для абсолютной влажности

а = 2,17 • Рп.н. • / (t + 273) ;

легко рассчитать в программе Excel таблицу значений абсолютной влажности а = f (t, φ) в интересующем нас диапазоне температур от 40ºС до 100ºС и относительной влажности воздуха от 5 до 100%.

Для графического представления полученных данных мы должны выбрать масштаб отображения по каждой из координат t и φ.

Учитывая, что терморецепторы человеческого тела имеют хорошую чувствительность и легко различают отличие в температуре всего в один градус, выберем шаг расчета по аргументу (t) в диапазоне температур от 37ºС до 100ºС нелинейным, то есть логарифмическим. Это позволит нам в дальнейшем провести более тонкий анализ теплового воздействия горячего пара на кожу человека.

По полученной таблице а = f (t, φ) построим диаграмму для нескольких различных значений абсолютной влажности.

Так выглядит полученная нами диаграмма абсолютной влажности воздуха для нескольких значений а - от 10 г/м³ до 100 г/м³

Граничная линия постоянной абсолютной влажности а = 50 г/м ³ с точкой росы 40 гр.С названа Хошевым "хомотермальная кривая".

Чем выше абсолютная влажность воздуха в бане, тем хуже вентиляция легких и больше образуется в легких конденсата.

Эта основная диаграмма влажности воздуха в бане.

В дальнейшем мы будем накладывать на эту диаграмму другие параметры влажного воздуха в бане. И по совокупности этих параметров будем описывать различные температурно-влажностные режимы в различных банях с разными конструкциями печей.

Также по этим диаграммам мы увидим, как из совершенно разных режимов можно переводить парную в режим напаривания вениками с получением необходимых "кондиций" легкого пара.

Продолжение здесь