Когда из чайника перестают идти "клубы пара"

Казалось бы, что этот наивный вопрос не имеет никакого отношения к печам. Но это только с первого взгляда.
В действительности же, это самый главный вопрос. И для печников, когда они видят "клубы пара" из дымовой трубы. И для банщиков, когда они подкидывают воду в печь-каменку...
В этом вопросе таится сущность печей для «пригоровления пара» в бане.
=
За исходную точку возьмем статью Алексея Разоренова десятилетней давности: «Русская баня и ее место в мировой банной культуре» https://www.parilka.ru/articles/rus-bath-place/:
«Если вы у себя на кухне нагреете калорифером воздух до 40°, а кипящие на плите чайники с открытыми крышками увлажнят воздух до 80%, то это будет не турецкая баня, а душегубка. Цифры температуры и влажности будут соблюдены, но пар будет настолько тяжелым, что кроме тяжести и вреда вы ничего не получите…»
И еще http://www.parilka.ru/:
«Легкий пар получается при температуре испарения не меньше 400 град., а лучше 600-700. Такой пар не летает клубами и не душит. Нагреть камни до такой температуры можно только в закрытой печи, которая может обеспечить достаточную теплоизоляцию камней от парной, чтобы не перегревать парную. Такой теплоизоляцией может служить кирпич. Поэтому печи для русской бани строятся исключительно из кирпича. Металлические печи любого типа испускают в парную слишком много лучевого тепла. При взаимодействии с паром лучи сушат и жгут кожу, хотя в парной может быть холодно.»

Эта точка зрения поддерживается и современными авторитетами:

=

Таким образом, часто исходят из того, что температуры чайника 100 градЦ явно не достаточно для получения прозрачного мелкодисперсного /легкого/ пара. Поэтому, что из чайника всегда идут «клубы крупнодисперсного пара».

Но мы-то знаем, что чайник кипит на варочной плите печи-шведки совсем без клубов пара. И мы знаем, что на газовой плите тоже можно получить кипящий чайник без клубов пара.
Все дело в том, что пар в этих случаях попадает в горячий воздух. И совсем не видим глазом.

 

Хорошее начало, с нетерпением жду продолжения.

 

Жалко, что только про пар. Тема то очень интересная, развернуть можно и по круче.

 

В чайнике, как и в бане, мы имеем воздух и пар. И для начала надо определиться, что мы будем называть под этими терминами.
-
Под воздухом мы будем понимать воздух с некой абсолютной влажностью /кг водяных паров на 1 кг абсолютно сухого воздуха или на 1 м3 абсолютно сухого воздуха/. Горячий высоковлажный воздух в бане часто называют в быту "банным паром", в котором парятся.

Напомним, что термин "париться" происходит не от "пара", а от "испарины" /бежал, мол, и запарился/. Парная баня - это теплая баня, в которой выступает испарина /так же как парное молоко - это теплое молоко/. Но есть и паровая парная баня, где тепло /и даже жарко/ становится с применением пара.

Под паром мы будем по-школьному понимать водяные пары как газоообразное физическое состояние вещества.

Термодинамические свойства воды совсем не похожи на термодинамические свойства водяного пара / см. справочники Варгафтика или Предводителева/.
-
В учебниках по технической теплотехнике под паром жаргонно понимают либо техническое состояние веществ в паровом котле либо рабочее тело на основе пара /используемое, в частности, в паровых машинах - "паровозах"/.

В паровом котле одновременно присутствует вода и пары воды. При нагреве котла вода постепенно переходит в пар, который называют влажным. На рисунке Руспара показан процесс изобарического нагрева при постоянном давлении, когда при увеличении энтальпии /теплосодержания при постоянном давлении/ в котле вода постепенно переходит сначала во влажный /насыщенный/ пар /то есть смесь воды с паром/, а потом уже в сухой /перегретый/ пар. Вот этот сухой /перегретый/ пар мы и будем называть паром. Но можно нагревать котел и при постоянном объеме - тогда процесс будет изохорическим и сопровождаться подъемом давления при сохранении воды. Пар при этом будет постоянно насыщенным, но при повышенных давлениях.

"Пар как рабочее тело" /например, пар "из шланга" для пропарки цистерн/ содержит помимо пара брызги воды, туман водяного пара и, возможно, пыль/. И из каменки банной печи вылетает "пар как рабочее тело", содержащее в своем составе "пар как физическое состояние вещества". В бане важен только "пар как физическое состояние вещества", поскольку только он способен выделять при конденсации огромное количество тепла.

 

Юрий Михайлович, а можно сразу влезать с вопросами или подождать когда отмашку дадите?

 

Все банные темы читаю с большим интересом. Но только читаю. Очередная тема для кровопролития?

 

Дерзайте, Владимир Григорьевич!
А то у меня на "крутое" нет ни сил, ни времени, ни мощности компьютера ...
-
Для анализа явлений смешивания пара с воздухом воспользуеися "банно-паровой диаграммой" - Теория бань, стр. 160 http://gornilo.ru/07art-h/aHo2.htm.
По вертикали - сколько кг водяных паров содержится в 1 кг воздуха.
По горизонтали - температура воздуха или пара.
Каждая точка соответствует воздуху с определенной температурой и влажностью.
По верхней горизонтальной оси М=1 - состояния пара при разных температурах и при р = 1 атм.
По нижней горизонтальной оси М=0 - состояния абсолютно сухого воздуха при 1 атм.
-
Смешаем 1 кг воздуха 1 с 1 кг воздуха 2. При равенстве теплоемкостей этих "воздухов" получим воздух 3 /в количестве 2 кг/ со строго промежуточной температурой и содержанием водяных паров. И вообще все возможные смеси этих двух "воздухов" будут лежать на пунктирной прямой, соединяющей точки 1 и 2.

Но теплоемкость водяных паров примерно в два раза выше теплоемкости сухого воздуха. Поэтому, точка 3 должна сместиться вправо до точки 4. И параметры смесей будут располагаться ниже на сплошной кривой.

Но в целом, для оценочных прикидок можно пользоваться моделью "пунктирной прямой", помня при этом, что реально смеси будут располагаться немного ниже.
-
Ясно, что при добавлении в пар холодного воздуха, мы можем ожидать появления /из-за охлаждения/ конденсации пара в виде тумана. Но с другой стороны также ясно, что пар не только охлаждается, но и разбавляется воздухом, что затрудняет конденсацию. В уме прикинуть конкуренцию этих двух механизмов трудно.

Но мы сейчас приобрели в лице "диаграммы" простой наглядный математический инструмент /"арифмометр"/ для количественного анализа. Видно, что при смешении воздуха1 с воздухом 2 может быть получено множество промежуточных смесей, но ни одна из смесей "не залезает" в область "Конденсат" /в область пересыщенного пара или переувлажненного воздуха/. То есть туман в виде "клубов пара" образоваться не может.

Но бывают и другие случаи.

 

Для себя решил - "подождать с вопросами", хотя уже точно есть...
По диаграмме - если её проставить в координатах литр на литр, то разница практически совсем нивелируется - дельта в 20 % процентов всего...
Вчера в бане при температуре в 62 градуса на уровне 125 см при поддаче постоянно образовывался легкий "туман", который весьма долго не исчезал... Практически - впервые подобное наблюдал... в своей бане.

 

Делайте, что хотите.
-
Точка 1 - это пар с температурой 100град, выходящий из чайника.
Точка 2 - это воздух на кухне с температурой 40 град и относительной влажностью 50% /относительная влажность определяется из соображения, что на кривой "Конденсат" относительная влажность составляет 100%/.
Выходит так, что даже малейшее добавление воздуха к пару из чайника дает смеси, раполагающиеся в зоне "Конденсат". Значит, сразу появляется туман - "клубы пара". Но если ОЧЕНЬ сильно разбавить пар /чтоб смесь расположилась около точки 2/, то тумана не будет. Поэтому из носика идет туман, а потом по мере распространения по кухне туман исчезает.
-
А вот если взять пар с температурой 340 град Ц /точка 3/, туман образоваться не может, как ни смешивай воздух с паром - все точки прямой 2-3 располагаются вне зоны "Кондесат". Поэтому банщики и стремятся поднять температуру пара.
-
Если мы возьмем пар с температурой 230град Ц /точка 5/ и подадим его в воздух с температурой 8 град Ц /точка 4/, то получим иную картину. Пар при разбавлении воздухом /то есть вблизи точки 5/ будет оставаться прозрачным. А вот воздух при малейшем добавлении пара /то есть вблизи точки 4/ будет давать туман. Вот и видели на испытаниях печи Бессонова "клубы пара", стелящиеся вниз по холодному массиву кирпичной печи. А воздух с туманом всегда холодней воздуха без тумана при одинаковой температуре, поскольку капельки жидкости не дают вклад в давление газа /пара/ и всегда присутствуют в газах как тяжелый баласт.
-
Но что же случается, если смесь 6 "попадает" в зону "Конденсат"? Происходит конденсация водяных паров в капельки воды /туман/ с выделением скрытой теплоты конденсации. Точка 6 переходит в точку 7 с образованием насыщенного пара. А насыщенный пар - это не пересыщенный, и дальше конденсация не пойдет. То есть только часть водяных паров сконденсируется в капли тумана. И между капель тумана будет располагаться разогретый воздух со 100%-ной относительной влажностью.

Воздух с относительной влажностью ниже 50% называется сухим.
Воздух с относительной влажностью 50-100% называется влажным.
Воздух с относительной влажностью 100% называется сырым.
Горячий сырой воздух обжигает, а холодный сырой воздух "холодит".
Сырой воздух с температурой выше 55 град создает ожоги на теле. Но это другая история.


Если пар из чайника с температурой 100 град Ц /точка 1/ выпустить в воздух с температурой 80 град Ц, то тумана не будет. Не будет тумана, если пар из чайника выпустить и в любой воздух на прямой 1-2. Так что если поставить электрочайник на полку в сауне, то "клубов пара" не будет, чем и пользуются успешно финны.
-
Ну а если мы хотим сделать паровую баню с температурой ниже 80 град, то придется пойти на хитрость. Сначала смешаем пар из чайника с каким-то горячим воздухом 3 и получим без тумана смесь 4. А вот затем смесь 4 выпустим в баню с температурой 30 град. И получим паровой режим 6 с температурой 55 град.
Ясно, что для увлажнения и прогрева воздуха 5, воздух 4 эквивалентен чистому пару с температурой более 500 град! Только надо взять этого воздуха 4 побольше, чем чистого пара с температурой 500 град. Это становится очевидным, если мы продлим прямую 5-4 вправо вверх до пересечения с верхней горизонтальной координатной прямой, отвечающей состояниям чистого пара.

 

Как все это выглядит применительно к банным режимам?
Если к многочисленным замерам В. Н Ляхова в паровых банях /верхний рисунок/ добавить данные по сухим баням, то реальные режимы бань /то есть помещений, в которых неразогревшемуся человеку не холодно с мокрой кожей/ лягут точками на нижней диаграмме, отвечающими тепловым нагрузкам на мокрое тело при парении веником 0,5 - 2,5 кВт/м2, то есть температурам по влажному термометру 40-55град /Дачные бани и печи, стр. 595/.
Если исходная температура в бане 50 град, а воздух сухой /отн. вл. 20%/, то минимально необходимая температура пара из каменки для прямого /без хитростей/ увлажнения воздуха составит где-то 120-130 град. Этим и пользуется, видимо, Куценко со своей Аква-печью.
Но если исходная влажность воздуха при 50 град высокая, то такой пар может дать туман /причем именно на стенах и полах/, а не на выходе из каменки.
Если же исходная температура в бане "до поддачи" менее 50 град, то потребуется резкое увеличение температуры пара.
Но это все оценочно для понимания сути процессов увлажнения паром.

 

Таким образом, важна не только температура пара, но и температура исходного воздуха. Паровая печь Бессонова дает высокие температуры пара и позволяет "стартовать" с низких температур. Сначала при минусовых температурах воздуха она должна давать туман /но не вблизи сопла/, потом по мере разогрева воздуха до 5-10 град туман должен пропадать. Использование трубных смесителей 8 с подачей воздуха из того же помещения ничего дать не может. Но подача некоего внешнего воздуха 7 /холодного или теплого/ может влиять на картину увлажнения воздуха.

Мне довелось года три прогревать баню паром из открытого кипящего бака /поз. "в"/. Сначала воздух прогревался градусов до 50 конвекцией от горячих стенок стальной печи, затем вода закипала, пар попадал в струю горячего конвективного воздуха, и туман никогда не наблюдался. Эта схема аналогична "кастрюле" Ферингера-Магола /поз."г"/, то только труба в воде мне была не позволительна /ржавела/. При боковом выводе трубы я покрасил черный металл внутри водяного бака автомобильной "синтетикой" по грунту, и ржавчины не было. Финны давно помещают "кастрюли" /парогенераторы в виде стального стакана/ в каменку, пар при этом попадает в горячую струю воздуха из каменки, и туман не образуется.

В качестве "банного кондиционера" я использовал бак с кипящей водой, продуваемый горячим воздухом /необходим электровентилятор, но возможны устройства и на "ручной тяге"/. При подаче воздуха с расходом до 50м3/час, в том числе и с помощью электрофена, кипение воды тотчас прекращалось, и из аппарата выходила струя горячего влажного воздуха /"банный веник"/, от которого все тело тотчас покрывалось росой. Брал мочалку и мылся с шампунем. Тумана никогда не было.
-
Все это говорилось о взаимодействии пара с воздухом. Но ведь с паром взаимодействует не только воздух, но и стены. Поэтому в анализ надо добавить и нагрев стен паром с конденсацией водяных паров не в туман, а в росу.

 

Начинают срываться тексты. Придется писать по абзацам.

Пример.
Имеем баню с температурой воздуха О и стен 45 град. Подаем в баню пар П с температурой 210 град. Получаем некий горячий влажный воздух А с температурой 120 град. Причем совсем без тумана, поскольку ни одна точка на прямой О-П не попадает в зону "Конденсат".

Воздух А начинает охлаждаться у стены, причем без выделения тумана /и без снижения абсолютной влажности/ вплоть до точки росы В. Точка В - это не поверхность, не стена /материальная/! Это точка на климатической кривой /математической/, описывающей равновесное /максимально достижимое/ давление пара над водой.

Воздух А хотел бы и дальше охлаждаться "по горизонтали" через точку В до температуры стен 45 град. Но водяные пары в воздухе становятся пересыщенными. Начинает выделяться конденсат: и в виде тумана в воздухе у стены, и в виде росы непосредственно на поверхности стены. Наиболее быстро идет выделение росы, поскольку для тумана необходимо время на образование микрозародышей фазы воды.

 

Так что стена нагревается не только за счет остывания воздуха от А до В. Но и за счет осаждения росы с выделением скрытой теплоты конденсации. Пока стена остается холодней влажного воздуха В, воздух В остывает и за счет этого отдает свою влажность в росу. Процесс идет по диштрихпунктирной кривой равновесного давления пара вплоть до точки С, где температуры стены и воздуха сравниваются 60 град.

Таким образом, стена нагрелась за счет охлаждения воздуха и конденсации пара с 45 до 60 град. Расстояние по вертикали от точки В до точки С дает количество выделившейся росы.

Таков механизм. В реальности, процесс надо рассматривать не только у стены, но и в динамике пространственного остывания всего воздуха А в бане.

Но нас интересуют принципы, а не детали. Из рисунка мы видим, что если пар не смешивать с воздухом, а сразу подать на стену, то он будет остывать до точки Д без тумана /нагревая стену/, а потом будет охлаждаться с выделением росы и конденсационным нагревом стены. Если исходная температура пара П была бы равна 100 град, то и в этом случае происходил бы конденсационный нагрев.

Особый интерес представляют гигроскопические деревянные стены.
Дело в том, что конечное состояние воздуха С - это сырой воздух 100%-ной относительной влажности. Поэтому конденсационный нагрев каменных бань приводит к сырому жгучему пару. Приходится проветривать прогретую паром парилку, и только потом чуть-чуть подавать пар до необходимого уровня влажности воздуха.

Иная ситуация складывается с гигроскопичными стенами. На рисунке рядом с кривой равновесного давления пара /над водой, капельной компактной "жидкой" водой/ приведена кривая равновесного давления пара над древесиной с относительной влажностью 16%. Нетрудно сообразить, что в этом случае конечная точка С будет располагаться именно на этой кривой. И значит, что в точке С воздух имел бы относительную влажность не 100%, а 80%. А при более низкой относительной влажности стены, еще ниже. Например, при относительной влажности древесины 2%, влажность банного воздуха составила бы примерно 5%!
Кривые равновесного давления пара над древесиной разной относительной влажности прилагаю.

 

Очень плохо проходит. Особенно тексты он-лайн. Пока сдаюсь.
-
Приведу лишь историческую справку. Чтобы интересующиеся могли еще раз подумать, к каким последствиям привело заключение о "тяжелом паре из горячей воды" и о возможности получения "мелкодисперсного" пара только в закрытых раскаленных каменках...

В 1990-х годах в России бурно менялась идеология бань. К прежним видам бань /традиционным мытейным + спортивным сухим саунам + развлекательным "баням" домов отдыха с массовиками-затейниками с аккордеоном/ добавлялись частные коммерческие досуговые бани /"шашглычные", "питейные", бордельные, нудистские/, с размахом развивались домашние "оздоровительно-восстановительные" финские сауны, активно переосмысливались русские паровые процедуры в городских банях.
Эти времена хорошо знает Е. В. Колчин /sp_00/, активный участник многочисленных московских клубных паровых тусовок /в частности, в Усачевских банях/. В этих вполне благопристойных клубах /как устойчивых неформальных группах-компаниях любителей «по-настоящему» попариться/ новичкам приходилось порой неделями и даже месяцами "обучаться работе на каменке", прежде, чем их допускали к большой кирпичной печи городской коммунальной бани. Естественно, в этих клубах серьезно обсуждались /как и сейчас на интернет-форумах/ и "механизмы банного пара".
К сожалению, мало что дошло до нас из этих обсуждений, мало что сохранилось "на бумаге". Приятным исключением оказалась литературная деятельность Алексея Разоренова, который стал идеологом бань 90-х годов https://www.forumhouse.ru/threads/14836/page-13
В основе идеологии А. Разоренова лежали следующие идеи http://www.parilka.ru:
- пар от кипящей воды в бане не допустим,
- необходима холодная кирпичная печь, чтоб не перегреть парную,
- необходима горячая закрытая каменка,
- необходим пирог пара у потолка, который захватывается веником по-татарски или сразу разгоняется по сторонам по-русски,
- необходим легкий пар, то есть неведомо «мелкодисперсный» пар и т. д. и т. п.
Но влияние А. Разоренова оказалось настолько огромным, что сохраняется до сих пор.

Многие соображения А Разоренова мне до сих пор кажутся малоубедительными. Но "банный народ" по всей стране легко принял его идеологию "мелкодисперсного пара" из горячей каменки, хотя именно при медленном испарении воды молекулы воды вылетают "по одной", а на раскаленных камнях /и особенно чугуне/ образуются сплошные брызги, не имеющие теплоты конденсации. Даже удивительно, как быстро разошлись эти идеи в отсутствии интернета и массовых публикаций. Может кто знает - может, все эти мысли высказывались в банной среде еще задолго до Разоренова?

Мне в те годы показалось, что наиболее важными в паровой бане имеют вопросы конденсации пара на теле и вопросы вредности конвекции. Эти вопросы были рассмотрены мной в рамках понятий «хомотермальной кривой» http://www.teplodaryug.ru/bania-po-nauke/klimaticheskie-harakteristiki-bani.html и «кратности циркуляции» http://www.teplodaryug.ru/bania-po-nauke/aerodinamicheskiy-raschet-bani.html и были опубликованы в Банбасе.

А Разореновым эти вопросы вообще не поднимались. Более того, А. Разоренов считал конвекцию полезной в паровой бане, и даже разработал проект высококонвективной паровой «шатровой бани. Хотя и считал русскую баню «баней избыточного давления», то есть колпаковой. А финскую баню считал «баней равного давления», то есть «прямоточно-вентилируемой». Здесь также на лицо противоречие.

http://www.parilka.ru/articles/compare/:
«Не менее важен вопрос вентиляции. В сауне оптимальная вентиляция осуществляется при равенстве давления воздуха снаружи и внутри парной. А русская баня - это баня избыточного давления. Ощущается это, когда при поддаче пара вышибает дверь в парной. Это принцип, без которого мы не сможем получить в бане сухой перегретый пар. Пар испаряется в замкнутом объёме печи. Происходит что-то вроде взрыва - и пар под давлением устремляется из печи в парную, проходя через несколько зауженный проём открытой дверцы. Часть пара отражается от бортиков проёма и устремляется назад, в печь, тем самым ещё больше увеличивая избыточное давление, а стало быть и дисперсию пара.
Вышедший из печи пар, как самый горячий, собирается вверху, под потолком. Внизу по-прежнему холодно. Дальнейшее зависит от особенностей парной, от кондиций пара. Поэтому, к каждой бане надо приспосабливаться, изучать её характер. Есть разный опыт и традиции, как сделать хороший пар. Иногда его опускают сразу в процессе поддачи специальными опахалами, простынями, полотенцами, вениками. Условно говоря, этот способ называется "по-русски". Принудительное опускание пара приветствуется не всеми. Есть способ поддавания "по-татарски". Пар опускается самими парящимися, когда они машут вениками»

 

Архи позновательно!
Спасибо!
Однако вот из-за этого будут баталии, 100%, которые я с удовольствием почитаю:
В основе идеологии А. Разоренова лежали следующие идеи http://www.parilka.ru:
- пар от кипящей воды в бане не допустим,
- необходима холодная кирпичная печь, чтоб не перегреть парную,
- необходима горячая закрытая каменка,
- необходим пирог пара у потолка, который захватывается веником по-татарски или сразу разгоняется по сторонам по-русски,
- необходим легкий пар, то есть неведомо «мелкодисперсный» пар и т. д. и т. п.
Но влияние А. Разоренова оказалось настолько огромным, что сохраняется до сих пор.

Многие соображения А Разоренова мне до сих пор кажутся малоубедительными. Но "банный народ" по всей стране легко принял его идеологию "мелкодисперсного пара" из горячей каменки, хотя именно при медленном испарении воды молекулы воды вылетают "по одной", а на раскаленных камнях /и особенно чугуне/ образуются сплошные брызги, не имеющие теплоты конденсации. Даже удивительно, как быстро разошлись эти идеи в отсутствии интернета и массовых публикаций. Может кто знает - может, все эти мысли высказывались в банной среде еще задолго до Разоренова?