Бани, которые «не держат пар», называются сухими саунами. В сухих саунах обязательно имеется холодный элемент, осушающий воздух (либо имеется приточная вентиляция, подающая сухой воздух, см. раздел 8). Циркуляция воздуха в сауне повышает эффективность осушки воздуха на холодном элементе, поскольку подает на холодную конденсирующую поверхность большее количество влажного воздуха. В принятой конструкции финских сухих саун циркуляция воздуха достигается за счёт мощного восходящего воздушного потока у горячих стенок мощной металлической печи. Поэтому в России сухими саунами (или просто саунами) условно именуют в быту бани с мощной металлической печью и холодным полом, которые «не держат пар» в том смысле, что увлажнённый любым образом воздух тотчас осушается.
К баням, которые «держат пар», относятся хаммамамы и русские белые бани, поскольку они не имеют холодных элементов или, во всяком случае, постоянных мощных циркуляционных потоков. В русских парных белых банях с закрытой каменкой предусмотрена возможность быстрого осушения воздуха в бане с помощью веника, направляющего горячий влажный воздух на холодный пол («посадка пара»), а также быстрого увлажнения воздуха в бане с помощью поддач.
4.6. Процессы лучистого нагрева
В земной атмосфере воздушную метеообстановку дополняет наличие излучения Солнца, которое может кардинально изменить впечатление человека о погоде. Так и в бане на климатические параметры накладывается влияние теплового излучения от нагретых стенок печи, потолка, стен, излучателей.
Рис. 38. Спектральный состав излучения Солнца в относительных единицах: 1 — до прохождения атмосферы, 2 — после прохождения атмосферы с учётом поглощения компонентами атмосферы. Длина волны 1 мкм (микрометр, микрон) равна одной тысячной миллиметра (мм) и одной миллионной метра (м). Иногда микрон обозначается как 1 мк. Тысячная доля микрона называется миллимикроном 1 ммк (или нанометром 1 нм=1 ммк), который в свою очередь равен десяти ангстремам (1 А=10-10м).
Тепловое излучение (называемое также инфракрасным излучением, лучистым нагревом, лучистой теплопередачей, лучистым теплопереносом, радиационной составляющей теплового потока и т. п.) представляет собой электромагнитное излучение светового диапазона (называемого также светом, световой радиацией, световыми лучами, световым излучением, световыми волнами, квантами и т. п.). Световой диапазон волн 10-8- 10-4 метров (от 0,01 мкм до 100 мкм) располагается между диапазоном радиоволн и диапазоном рентгеновских волн и отличается тем, что поглощается биологическими тканями с выделением тепла. Световой диапазон в свою очередь подразделяется на ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,4 мкм (0,315-0,400 мкм А-диапазон; 0,28-0,315 мкм В-диапазон; 0,200-0,280 мкм С-диапазон, менее 0,2 мкм — вакуумный ультрафиолет), видимые лучи (фиолетовые 0,40-0,42 мкм, синие 0,42-0,49 мкм, зелёные 0,49-0,53 мкм, жёлтые 0,53-0,59 мкм, оранжевые 0,59-0,65 мкм, красные 0,65-0,75 мкм) и инфракрасные лучи с длиной волны более 0,75 мкм (0,75-1,5 мкм А-диапазон; 1,5–3,0 мкм В-диапазон; более 3,0 мкм С-диа-пазон). На рис. 38 представлен спектральный состав излучения Солнца, охватывающий и ультрафиолетовые, и видимые, и инфракрасные лучи. Излучение Солнца по спектральному составу близко к излучению абсолютно чёрного тела при температуре 5600 °C. Столь высоких температур в бане не бывает: высокоинтенсивные источники света типа софитов имеют температуру порядка 3000 °C, обычные лампочки накаливания 2000 °C, раскалённые угли в печи 1500 °C, внутренние стенки топливника кирпичной печи 1000 °C, стенки металлической печи 500 °C, внешние стенки топливника кирпичной печи 100 °C. Спектральный состав излучения поверхностей аналогичен составу излучения абсолютно чёрного тела (рис. 39) с поправкой на степень черноты поверхности. С уменьшением температуры излучающей поверхности очень быстро уменьшается общая мощность излучения (теплоотдача излучением), равная площади под кривой Планка W=εσ(Т+273)4, где σ=5,67 х 10-8 Вт/(м2град4) — постоянная Стефана-Больцмана, (Т+273) — абсолютная температура в градусах Кельвина, Т — температура в градусах Цельсия (рис. 40). Кроме того, с уменьшением температуры излучающей поверхности спектральный состав излучения сдвигается в сторону инфракрасного излучения, и потому всё меньшая доля приходится на видимый диапазон. Максимум (пик) спектральной зависимости мощности излучения Вλ (кривой Планка) приходится по закону Вина на длину волны λmax(мкм) = 2898/(Т+273), где Т — температура в градусах Цельсия °С. Если площадь под кривой Планка принять равной 100 %, то площадь под восходящей ветвью λ,<λ,мах составит 25 %, а под нисходящей λ,>λ,мах составит 75 % суммарной площади.
Рис. 39. Спектральный состав излучения абсолютно чёрного тела (кривая Планка) при различных температурах, указанных у кривых. Спектральный интервал V соответствует видимому диапазону. Спектральный интервал А соответствует ближнему диапазону инфракрасного излучения (А-диапазон 0,75-1,5 мкм).
Рис. 40. Полная (интегральная по спектру) теплоотдача абсолютно чёрной поверхности с температурами 0-400 °C во внешнюю среду с температурой 0 °C: 1 — инфракрасным излучением, 2 — теплопроводностью (кондуктивной теплопередачей). Мощность инфракрасного излучения [σ(273+Т)4 — σ 2734], является суммарной по всему спектру излучения в полное полупространство (во все стороны).
В результате с уменьшением температуры свечение раскалённой поверхности из ослепительно белого становится красным, а потом невидимым:
Таким образом, появление заметного видимого свечения поверхности, соответствующее температуре порядка 500 °C, уже отвечает мощностям теплового излучения порядка 20 кВт/м2. Такая величина теплового потока является порогом воспламеняемости наиболее легко воспламеняемой группы В3 горючих материалов по ГОСТ 30402-96. То есть появление видимого свечения поверхности, например печей, может свидетельствовать не только о возможности травматических последствий касания, но и об опасности возникновения пожара в помещении, в том числе за счёт воспламенения материалов, даже не касающихся нагретых поверхностей. Все знают, как горячо стоять у раскалённой печки-«буржуйки» или у сильно разгоревшегося костра. Поэтому в целях безопасности для нагрева помещения предпочитают использовать инфракрасные излучатели с как можно более низкой температурой излучающей поверхности. Но меньшая мощность излучения низкотемпературных излучателей приводит к необходимости использования больших площадей излучателей для обеспечения заданного уровня теплоотдачи. С этой точки зрения инфракрасными излучателями в оптимальном случае должны быть сами поверхности стен и потолка помещения. В этом смысле поступающее со всех сторон на тело человека инфракрасное излучение создаёт ощущение обычного тепла (как от тёплого воздуха) и ассоциируется в быту с более тёплыми метеорологическими условиями.
Наиболее знакомый для человека уровень мощности инфракрасного излучения — солнечная постоянная 1,4 кВт/м2, равная интенсивности солнечного излучения, достигающего орбиты Земли. При прохождении через земную атмосферу солнечное излучение ослабляется на 20 % за счёт поглощения молекулами кислорода, азота, углекислого газа, воды и озона и ещё на 40 % за счёт пыли и дыма (рис. 38). В утренние и вечерние часы путь прохождения лучей в атмосфере очень сильно увеличивается, что приводит к ещё большему ослаблению интенсивности солнечного излучения на уровне моря. Таким образом, в полдень характерный уровень интенсивности солнечного излучения может достигать 1 кВт/м2 в горах и тропиках и 0,5 кВт/м2 в средней полосе России. Эта величина относится к плоскости, ориентированной строго на Солнце, и не зависит от времени года. С учётом наклона Солнца над горизонтом на садовый участок площадью 6 соток даже зимой в солнечный день поступает до 100 кВт солнечной энергии в полдень. Эта пиковая полуденная величина летом ещё более возрастает до 150 кВт и является основой жизни.
