WarmFires.ru

Передача тепла из камня в компактную воду или в газообразный водяной пар в любом случае происходит за счёт охлаждения камня. Но скорость нагрева воды, равная скорости охлаждения камня, может быть разной. Вода в стакане (рис. 75д) кипит значительно менее интенсивно, чем при поливе камней (75а). Все знают о «хлопке» пара при поддачах на хорошо раскалённые камни, и конечно же, получить такие хлопки при погружении сосуда с водой в каменку невозможно. Причина этого факта становится ясной, если представить, что сосуд с водой (рис. 75д) представляет собой по существу один из камней каменки. В таком случае скорость испарения воды в сосуде будет определяться скоростью передачи тепла от камня к камню (от горячего к холодному), или от горячего камня к холодной поверхности плиты, или от горячей поверхности плиты (конфорки) к холодному камню. При температуре 700°С эта теплопередача имеет мощность порядка (50-100) кВт/м2 (см. выше). При поливе же камня водой скорость испарения воды будет определяться скоростью передачи тепла внутри камня, которая может составлять гигантские величины (сотни мВт/м2), особенно в первые мгновения.

Охлаждение в воде отдельного камня определяется известным дифференциальным уравнением в частных производных нестационарной теплопроводности ^/<хЬ=ао!2Т/с1х2, где а=А,/РсР _ коэффициент температуропроводности тела. Решения этого пораболического уравнения в простейших случаях (пластина, цилиндр, шар) приводятся во всех учебниках по теплообмену. Напомним, что темп охлаждения тела является экспоненциальным Т=Тоехр(-ат/К2), причём скорость охлаждения быстро увеличивается с ростом коэффициента теплопроводности тела X и уменьшением размера тела Я. То есть чем меньше по размеру камни, тем быстрее они охлаждаются, а значит, и быстрее отдают тепло на испарение воды. Мелкие камни, а также камни с большой теплопроводностью, взрывным образом испаряют попавшую на них воду, но и быстро охлаждаются. Крупные камни, а также камни с малой теплопроводностью, медленно («мягко») испаряют воду, но зато долго. В русских паровых банях предпочитают взрывное испарение (с хлопком - ударной волной), а в современных финских саунах зачастую предпочитают мягкий пар с камнями с малой теплопроводностью (талькохлоритами).

Рис. 76. Временной ход изменения поля температур в камне (в форме шара) при различных скоростях охлаждения: а - при очень малых значениях критерия Био, б - при критерии Био порядка единицы, в - при очень больших значениях критерия Био, г - сопоставление внутреннего и внешнего распределения температур в шаре, падение температуры вне шара определяет коэффициент внешней теплопередачи а, 1:о - начальный момент времени, 1:1, t2

и 1з -последовательные моменты времени, И, -радиус шара.

Взрывные испарения воды можно получить и на крупных камнях, но тогда надо использовать малые поддачи (плещут воду по чуть-чуть). Дело в том, что для получения больших скоростей испарения вовсе не обязательно быстро охлаждать камни целиком. Можно охлаждать лишь внешние слои, создавая в них большие градиенты температуры. Пространственное распределение температуры внутри камня определяется в первую очередь критерием Био В[=аК/Х, где а -

коэффициент теплопередачи от камня во внешнюю среду (в том числе и других камней), Я -размер камня, X - коэффициент теплопроводности материала камня. Коэффициент теплопередачи определяется из соотношения Ц=а

(Тк-То), где О, -

тепловой поток из камня, Тк и То - температуры поверхности камня и окружающей (внешней) среды. В случае воздуха а

=10 Вт/м2-град (см. раздел 5.3), и критерий Био для охлаждающихся в воздухе камней всегда много меньше единицы. В случае воды а=

1000-10000 Вт/м2-град, и критерий Био для охлаждающихся в воде камней всегда много больше единицы. При охлаждении раскалённых камней в воде фактически имеем закалку изделия в жидкости, когда тепловые потоки достигают миллионов Вт/м2 вплоть до наступления кризиса пузырькового кипения. В этих условиях температура поверхности камней мгновенно снижается с сотен градусов Цельсия до температуры воды и затем остаётся постоянной и равной температуре кипения воды.

Критерий Био представляет собой отношение коэффициентов внешней и внутренней теплопередач. При больших В1 перепады (градиенты) температуры внутри камня большие, при малых В1 перепады температуры в камне маленькие (рис. 76). При больших В1 происходит быстрое охлаждение поверхностных слоев камня и их термическое сжатие, вследствие чего может наступить хрупкое разрушение внешних слоев с растрескиванием и даже с разлётом осколков. В то же время из рисунка 76в видно, что наибольшие градиенты температуры наблюдаются лишь в первые мгновения охлаждения. Поэтому для образования хлопков (по крайней мере на крупных камнях) поддачи должны быть по возможности малыми (при количествах воды не более 0,1% от массы каменки). После быстрого выравнивания поля температуры в камне поддача может быть вновь повторена.