Brevet FR2579732A1 — publié le 19861003

DESCRIPTION D E S C R I P T I 0 N La présente invention se rattache aux procédés industriels de fabri- cation de neige qui permettent des débits suffisamment importants pour être utilisables sur les pistes de ski afin de compenser un enneigement naturel déficient. Jusqu'ici les installations, quel qu'en soit le principe utilisent des générateurs de neige qui travaillent le long des pistes mêmes, soit en les déplacant au fur et à mesure des besoins, soit en les utilisant répartis le long des tronçons à enneiger. Tous les générateurs de neige que l'on appelle communément "canons à neige", sont en fait des pulvérisateurs projetant dans l'air ambiant, à température négative, de fines gouttelettes d'eau qu'il faudra geler pour obtenir des cristaux de neige ou plus exactement de givre. Seuls sont donc en présence l'air extérieur froid et l'eau qui échangent directement leurs calories, par réchauffement de celui-là et par évaporation d'une partie des gouttelettes s'il n'est pas saturé. Pour que ce processus se déroule dans de bonnes conditions, il est indispensable que la nucléation primaire démarre le plus rapidement possible sous forme d'un maximum de germes d'ensemencement afin que les échanges de chaleur entre l'eau et l'air aboutissent à une nucléation secondaire la plus complète possible, même si les cristaux fabriqués contiennent plus d'eau résiduelle que la neige naturelle. C'est là qu'intervient le type de générateur de neige. Les uns sont des pulvérisateurs pneumatiques à grand débit dans lesquels on utilise le refroidissement thermo-dynamique du à la détente de l'air comprimé pour fabriquer au niveau du canon à neige lui-même une grande quantité de germes d'ensemencement Les autres utilisent des rampes de pulvérisation circulaires ou toriques, à gicleurs multiples; la nucléation primaire est obtenue, soit à partir de gicleurs hydrauliques très fins à même de créer des germes en assez grande quantité, soit à partir de petits pulvérisateurs pneumatiques qui en principe favorisent rapidement la même formation. Le brouillard de givre ainsi obtenu est entraîné dans un flux d'air important créé à partir d'un ventilateur héli- coidal placé à l'amont des rampes, qui entraîne également les gouttelettes, de taille plus ou moins importante, qui vont elles-mêmes givrer à partir des germes. Un procédé dérivé du principe précédent permet d'obtenir des fines gouttelettes en dirigeant un jet d'eau à haute pression directement sur les pales d'un ventilateur tournant à très grande vitesse. Dans un volume d'air à température négative à un certain degré d'humi- dité relative, il peut se congeler une masse définie d'eau pulvérisée. Plus le volume d'air qui enveloppe la gouttelette est important plus le sera aussi la masse d'eau congelable. Deux paramètres interviennent: la puissance du jet qui entraîne les gouttelettes d'eau plus ou moins loin, et le renouvellement de l'air: vent ou simplement brise de pente, courant de convection, apport d'air par tout moyen mécanique artificiel. L'importante quantité de chaleur absorbable par évaporation, qui dépend du degré de saturation de l'air, peut jouer, dans les échanges à l'intérieur de l'enveloppe de dispersion du jet, un rôle considérable puisque chaque Kg d'eau évaporé absorbe gros- sièrement plus de 600 Kcal. Le rôle de l'eau évaporée décroit lorsque baisse la température sèche, mais il est très important jusque vers -8 C. Or, c'est entre 0 C et cette température que les statistiques climatiques, dans de nombreux pays o l'on ressent le besoin de produire de la neige, montrent que se concentrent le plus grand nombre possible d'heures de fonctionnement.Le rendement des installations de fabrication de neige dépend largement des résultats obtenus dans cette plage. L'eau pulvérisée en fines gouttelettes peut rester liquide très en deçà de la température de 0 C. Cet état de surfusion varie avec la composition de l'eau. Plus elle est pure -cas des gouttelettes contenues dans les nuages- plus la température effective de congélation est basse. Les eaux naturelles utilisées dans les canons ne sont pas pures et contien- nent, mais en quantité très variable, beaucoup de noyaux glaciogènes qui ramènent la température de nucléation primaire plus près de la température de congélation de 0 C et ce d'autant plus que les gouttelettes sont fines. Pour une température négative et une humidité relative donnée, le rendement d'une installation de fabrication de neige dépendra des diamètres des gouttelettes, de leurs trajectoires jusqu'au sol, du renouvellement de l'air ambiant, très largement de la quantité de germes d'ensemencement dès la sortie du générateur et enfin de la quantité des noyaux glaciogènes. La pression partielle de vapeur d'eau tend vers la saturation e.w(t), par rapport à l'eau liquide. Mais il existe aussi une tension de vapeur saturante par rapport à la glace e&(t). Or, ew(t) > eL(t),avec un maximum à.11 8 C, correspondant à 0,27 mb. A partir d'un certain niveau d'échange par évaporation, l'air peut être en état de sous-saturation par rapport à l'eau liquide et de sursaturation par rapport à la glace. Les germes de givre grossissent au détriment des gouttelettes d'eau. Ce processus, très important dans le mécanisme des précipitations naturelles de neige, l'est beaucoup moins dans le cas de celle produite artificiellement. Les distances, donc les temps d'échange disponibles, sont faibles. C'est avant tout la valeur de l'humidité relative qui est primordiale: plus elle est basse pour une température sèche négative donnée, plus le rendement des enneigeurs augmente. La mise en service récente de procédés originaux de transport pneuma- tique de la neige naturelle ou fabriquée, permet d'envisager de transférer, à des distances qui peuvent largement dépasser 1.000 m, de grosses quantités de neige. La concentration des points de production est ainsi envisageable. La présente invention a pour but de proposer un nouveau type de générateur de neige - fabriquant la neige en "carrière" et favorisant le contrôle de tous les paramètres utiles, pour obtenir la plus grande quantité possible d'eau congelable dans des conditions déterminées de température sèche, d'humidité relative et de vitessse de déplacement de' l'air. Ce générateur exige un réglage automatique de tous les éléments qui conditionnent son fonctionnement par adaptation de dispositifs parfaitement connus et maîtrisés. Ils intègrent toutes les conditions atmosphériques ainsi que les caractéristiques de l'eau et de l'air pulsé. Par contre, l'invention décrite proposera un règlage particulier pouvant prendre directement en compte la teneur en eau des cristaux fabriqués. La figure 1 montre le schéma du générateur, vu de c8té. La figure 2 montre schématiquement la disposition des rampes d'alimen- tation des buses et des pulvérisateurs hydropneumatiques. La figure 3 montre le schéma de l'ensemble de l'installation: alimen- tation, production, automatisme. La figure 4 montre schématiquement le principe- d'un pulvérisateur hydropneumatique air/eau. La figure 5 montre le schéma d'un pulvérisateur pneumatique utilisant l'azote liquide et gazeux ainsi que sa localisation par rapport aux buses de petites granulométries. La figure 6 montre le schéma de buses à azote liquide et leur localisation. La figure 7 montre le schéma de pulvérisateurs ultrasoniques à azote liquide et leur localisation. La figure 8 montre le schéma de l'utilisation, pour l'ensemencement, de cristaux de neige atomisés et dispersés dans le nuage des particules à congeler. La figure 9 montre schématiquement l'utilisation d'un générateur de neige fonctionnant en "carrière". La figure 10 montre les courbes de variation des constantes diélec- triques comparées de l'eau et de la glace entre 10 et 10 lHz. Le générateur défini par la figure 1 se rattache au principe des canons ventilateurs par l'utilisation de rampes de pulvérisation (1) à jets multiples fournis par des buses (2). Les particules éjectées des buses à une certaine vitesse sont accélérées par un puissant flux d'air produit par des ventilateurs centrifuges (3). Leur débit et la vitesse de l'air sont calculés simplement afin de permettre aux particules, quelle que soit leur taille, de suivre une trajectoire (4) d'une longueur suffisante pour obtenir une densité maximum correcte de la neige fabriquée. Le débit de l'air des ventilateurs peut varier pour mieux répondre aux variations importantes des pressions de l'eau, de son débit, des types de buses en fonctionnement, de la direction et de la vitesse des déplacements de l'air ambiant. Les trajectoires des particules varient aussi selon la hauteur h (5) du diffuseur (6) au dessus du sol et la pente 0 du sol naturel (7). Les germes d'ensemencement sont fournis par des pulvérisateurs spéciaux hydropneumatiques (8) caractérisés par la production de germes très fins et très nombreux qui seront entraînés également sous forme d'un brouillard de givre par un courant d'air provenant des ventilateurs. L'air des pulvéri- sateurs est fourni par des compresseurs sous des pressions de 7 à 20 bars. La pression de l'eau des pulvérisateurs hydropneumatiques varie avec les conditions d'exploitation. Ils sont situés à la base du diffuseur (6). Pour augmenter le rendement de l'enneigeur et permettre la mise en route - de buses à très gros débit, corrélativement ou non avec l'augmentation des pressions de l'eau, on pourra trouver des pulvérisateurs hydropneumatiques supplémentaires au dessus du diffuseur ou à l'intérieur de sa surface de sortie 3 essentiellement pour les basses températures - inférieures à -12 C environ.Les rampes sont placées dans des volets (33) et (49) aérodyiques. L'eau à congeler pourra être refroidie dans des échangeurs air/eau (9) ou mieux dans des tours de refroidissement à circuit ouvert(14). La fabrication de neige en "carrière", donc à poste fixe, permet de se libérer des contraintes géométriques et de poids qui limitent actuel- lement la taille des générateurs, tous mobiles ou multiples. Les rampes circulaires ou toriques des canons ventilateurs sont remplacés par des rampes horizontales; les fonctions affectées à chaque type de buse ou groupe de buses, peuvent être différenciées. Ainsi, à la sortie de l'appareil, on a des strates de gouttelettes jouant, chacune, un ou plusieurs r8les spécifiques dont dépend le rendement global du système. Ce résultat est obtenu par l'utilisation de buses de types différents avec alimentation variable. Plus la granulométrie des gouttelettes de chaque type de gicleur hydraulique est fine, plus leur rôle consistera à augmenter, le plus près possible de la sortie de l'appareil, les germes d'ensemencement par coales- cence avec les germes des. pulvérisateurs hydropneumatiques, mais aussi à produire du froid par évaporation en fonction de l'humidité relative de l'air. La figure 2 schématise la répartition des buses hydrauliques (2) et des pulvérisateurs hydropneumatiques (8) à la surface de sortie du dIffuseur (6). Le relatif espacement des buses, de l'ordre de 15 à 25 cm, et leur disposition enquinconce permet d'intéresser un volume d'air d'échange important et limite la coalescence des gouttelettes, au moins sur la première partie de leur trajectoire o elles vont pouvoir se refroidir à leur température de congélation mais aussi s'évaporer, surtout les plus petites. Rappelons en première approximation qu'un gramme d'eau évaporé abaisse de 1,6 C la température d'un m3 d'air alors que cette température s'élève de 0,23 C lorsque ce même gramme d'eau passe à l'état solide. 0 Plus la température humide s'abaisse, plus l'appareil mettra en service, automatiquement, des gicleurs à gros débit avec augmentation corrélative de la granulométrie des gouttelettes. La figure 3 représente un schéma:de fonctionnement d'ensemble du générateur de neige. L'eau arrive au compteur de débit (10) pour traverser un ensemble vanne plus filtre (11) et (12). En (13) un robinet altimétrique, réglé sur le niveau du bac (15) par la prise (16), alimente le réfrigérant (14) qui se déverse dans le bac (15). Celui-ci est muni d'une vidange (17). et d'un déversoir (18). Une ou plusieurs pompes haute pression (19) reprennent l'eau du bac (15) pour l'envoyer dans les rampes de pulvérisation !0 (1) à travers un déversoir (20), un débit mètre (21), un limiteur de pression (22) et un filtre (23). Les buses de différents diamètres (2) sont reparties sur les rampes (1). Le même réseau fournit l'eau des pulvérisateurs hydropneu- matiques (8). L'air des pulvérisateurs est fourni à des pressions entre 7 et 20 bars par un compresseur (24) muni d'un ensemble réfrigérant (25) et décanteur (26) qui alimente la rampe (27) sur laquelle ils sont branchés. Le ventilateur centrifuge (3) fournit l'air de propulsion à travers l'ensemble diffuseur (6). Un ensemble de régulation équipé d'un automate programmable (28) reçoit les informations suivantes: température sèche (29), humidité relative (30) , vitesse de déplacement de l'air ambiant et direction (31), température de l'eau à congeler (32). Les données servent à piloter le compresseur (24), le ventilateur (3), les pompes à eau (19) et le limiteur de pression (22). Le débitmètre (21) contrôle le bon fonctionnement des buses (2) et des pulvérisateurs hydropneumatiques (8). La figure 2 montre que la rampe et le système volet/diffuseur (33) des gicleurs' hydropneumatiques (8) débordent le diffuseur principal (6) afin que le brouillard des germes d'ensemencement couvre bien l'étalement maximum des dispersions des gouttelettes des buses (2) quelle que soit la direction de déplacement de l'air ambiant, dans les limites fixées pour le bon fonction- nement de l'appareil: 60 o environ, de part et d'autre de l'axe de l'appa- reil. La figure 2 montre aussi que le générateur est composé d'éléments juxtaposables formés de modules standardg(47)afin d'augmenter à volonté sa capacité de production. La figure 4 montre le schéma d'un pulvérisateur hydropneumatique (8) à air comprimé avec mélange à l'intérieur, à partir de l'arrière de l'appareil, près des gicleurs d'air et d'eau. Ce matériel est caractérisé par une chambre de mélange très longue de 150 à 200 mm pour un diamètre de 10 à 12 mm (34). Une hélice à ailettes (35), comme utilisée couramment sur les buses hydrauliques à cône plein, alimente une buse à jet plat assurant une répartition rectangulaire des particules (50). L'invention prévoit le remplacement des pulvérisateurs air/eau par des pulvérisateurs utilisant un liquide cryogénique, comme l'azote, ou par la dispersion, directement dans le brouillard, de fines particules de neige prélevées à proximité de l'appareil. La figure 5 montre le schéma d'un pulvérisateur pneumatique (36) fonctionnant à l'azote sous forme liquide et gazeuse. L'azote est stockée dans un ballon (37) à proximité de l'appareil. L'azote gazeux est obtenu à partir de ce ballon à l'aide d'un échangeur (38). Les pressions des phases liquides et gazeuses à l'arrivée aux pulvérisateurs (36) sont pratique- ment les mêmes. Ceux-ci sont également placés à la base de l'appareil horizontalement, mais beaucoup plus près que les pulvérisateurs hydropneuma- tiques (8) des premières rampes hydrauliques qui seront à très fines granulométries. La figure 6 montre le schéma d'installation de buses à azote liquide sous pression (39), à proximité des premières buses hydrauliques à très fines granulométries. La figure 7 montre le schéma de pulvérisateurs d'azote liquide à ultrasons sous très faible pression (40) fonctionnant à l'aide d'un oscillateur vibrant à des fréquences comprises entre 20 et 100 KHz (41). Le pulvérisateur est placé entre deux rampes (1) de buses hydrauliques (2) à très fines granulométries. La figure 8 montre le principe de prélèvement (42) et de dispersion (43) de cristaux de neige (naturelle ou artificielle) à l'intérieur du brouillard d'eau sortant des buses (2) pour casser la surfusion. Pour éviter des consommations de neige trop élevées il est nécessaire d'obtenir une atomisation très poussée et une dispersion efficace des cristaux. Elles sont fournies par des ventilateurs tournant à très grande vitessse (43). Dans tous les systèmes décrits précédemment la protection contre le gel des canalisations d'eau et de leurs accessoires ainsi que de tous les éléments des réseaux d'air comprimé o il y a possibilité de détente -en marche normale ou à l'arrêt de l'installation- est assurée par une enveloppe de calorifugeage et un traçage continu à l'aide de résistances électriques s'autorégulant à une température voisine de + 5 C. A l'arrêt de l'installation tous les circuits extérieurs se vidangent>par précaution, avec l'adjonction éventuelle de vannes motorisées 3 voies, actionnées automatiquement. Les rampes (1) décrites comme horizontales présenteront en fait une très légère pente en restant parallèles entre elles. La figure 9 montre schématiquement l'utilisation qui peut être faite d'un générateur de neige à poste fixe afin de permettre l'enneigement d'une piste de ski. La fabrication de la neige en carrière, dans un site choisi pour ses qualités spécifiques et sans aucunegêne pour l'environnement, permet d'obtenir un rendement très élevé du à la possibilité de prendre en compte dans le programme de fonctionnement l'ensemble' des variables concernées mais avec une valeur unique pour chacune d'entre elles. Le générateur est complété par un système de prélèvement de la neige (44) et de son transfert sous pression dans une canalisation flexible ou rigide (45) qui permet de la répandre sur la piste à partir de bouches (46) correcte- ment réparties le long du tracé. Les fonctions production et transport sont totalement indépendantes et peuvent donc adopter, chacune, des horaires différents et variables. Dans le cas o il ne serait pas possible de disposer d'un site d'implan- tation offrant un maximum d'heures de fonctionnement avec des vents ou des brises se maintenant dans un cône de fonctionnement acceptable, d'environ , l'ensemble rampes (1) plus diffuseur (6) pourra être mobile autour d'un axe vertical (48). Il est envisagé d'utiliser, pour régler le fonctionnement automatique du générateur, la mesure directe de la teneur en eau liquide (TEL) des cristaux de neige fabriqués, au fur et à mesure de leur production, au sol ou sur leurs trajectoires. Le procédé utilise les variations des pro- priétés électriques de l'eau en -phase solide ou liquide, essentiellement de sa constante diélectrique. On analysera dans la formule: = ' - J", soit les fluctuations de ú' (permittivité relative), soit de E" (facteur de perte v caractérisant l'absorption). Les fréquences utilisées, selon les types de mesures, seront inférieures à 1 GHz ou supérieures (domaine des microondes). La figure 10 donne,à titre d'exemple, dans le domaine des radios fréquences, les variations et les différences importantes des permittivités relatives de l'eau S'e et de la glace ú'g ainsi que les facteurs de perte de l'eau P"e et de la glace E"g. La neige humide qui nous intéresse voit donc ses propriétés électriques varier considérablement avec sa TEL. Il faut noter que la mesure de la TEL des cristaux n'est pas assimilable à la mesure de la masse volumique de la neige fabriquée. Il n'y a correspon- dance étroite entre ces 2 données que si les cristaux restent identiques dans leurs formes, leurs tailles, leurs structures et leur distribution. Or nous savons que tel n'est pas le cas puisque beaucoup des paramètres en question se modifient en fonction des types des buses et de leur débit, des pressions et des températures de l'eau et de l'air, etc... R E V E N D I C A T I ONS 1) Dispositif de générateur de neige artificielle fonctionnant par pulvéri- sation d'eau en fines particules à partir de buses hydrauliques (2) et fabrication de germes d'ensemencement à partir de pulvérisateurs hydropneumatiques {8), l'ensemble formant un brouillard entraîné par le courant d'air d'un ventilateur (3), caractérisé par l'utilisation de rampes (1) parallèles quasiment horizontales ( pente minimale pour faciliter leur vidange) sur lesquelles sont branchées les différentes buses (1) et (8), en quinconce d'une rampe à l'autre; celles-ci conservent entre elles des espacements d'au moins 15 cm. O 2) Dispositif de générateur de neige, selon la revendication 1, caractérisé par la disposition des rampes (1) à la sortie du diffuseur (6) à l'inté- rieur des volets (33) et (49) à extremités arrondies. Ces volets sont placés à l'intérieur du diffuseur (6); ils participent à la régulation et à la répartition du flux d'air engendré par chaque ventilateur (3). 3) Dispositif de générateur de neige, selon les revendications 1 et 2, caractérisé par l'utilisation de ventilateurs centrifuges (3),à vi- tesse variable ou non. Ils offrent une répartition régulière du flux d'air dans la section d'entrée du diffuseur (6) et un niveau sonore acceptable. o 4) Dispositif de générateur de neige, selon la revendication 1, o les pulvérisateurs hydropneumatiques (8) sont placés à la base du brouillard d'eau sortant des buses (2) sur toute la longueur du diffuseur (6). ) Dispositif de générateur de neige, selon la revendication 1, o l'ensemble rampes (1) et diffuseur (6) sont mobiles autour d'un axe vertical (48) dans le cas de vents trop variables en direction. 6) Dispositif de fabrication de germes d'ensemencement caractérisé par des pulvérisateurs hydropneumatiques (8) comportant une chambre de mélange air-eau (34) très longue, par rapport à son diamètre: rapport supérieur à 8, suivie d'une hélice à ailette (35) et terminé par une buse demie sphérique, à jet plat (50). 7) Procédé, selon les revendications 1 et 2, o les diffuseurs (6) et les rampes (1) pour buses hydrauliques (2) ou hydropneumatiques (8) sont caractérisés par une construction modulaire (47) permettant d'adapter facilement la taille de la machine au débit de neige souhaité. 8) Procédé caractérisé par la production des germes d'ensemencement de la nucléation primairedans un générateur de neigeaà l'aide de pulvéri- sateurs pneumatiques (36) utilisant un liquide cryogénique -plus particu- lièrement l'azote- en phase liquide et gazeuse, au lieu et place de l'eau et de l'air. 9) Procédé caractérisé par la production des germes d'ensemencement de la nucléation primairedans un générateur de neige,à l'aide de buses de pulvérisation (39) alimentées par un liquide cryogénique sous pression (2 à 16 bars) -plus particulièrement de l'azote liquide. 10) Procédé caractérisé par la production des germes d'ensemencement de la nucléation primairedans un générateur de neige,à l'aide de pulvéri- sateurs o l'atomisation d'un liquide cryogénique, plus particulièrement de l'azote liquide, est obtenue par des gicleurs équipés d'un vibreur à ultrasons. 11) Procédé de fabrication de neige artificielle caractérisé par la production directe des germes d'ensemencement à partir de cristaux de neige naturelle ou artificielle. Ceux-ci sont atomisés et dispersés, d'une manière homogène, à l'intérieur du brouillard des particules d'eau à congeler, à l'aide de ventilateurs basse pression (43) tournant à grande vitesse. Le prélèvement peut se faire vers l'extrémité du brouillard cristallisé qui sort du générateur de neige par un système d'aspiration et de refoulement sur les ventilateurs (43). 12) Procédé de réglage d'un appareil automatique de production de neige caractérisé par la mesure et la prise en compte, dans le programme de l'automate de contrôle et de commande, de la teneur en eau liquide (TEL) des cristaux fabriqués. 13) Procédé, selon la revendication 12, caractérisé par la mesure de la TEL à partir des variations des propriétés électriques des cristaux en courant alternatif -essentiellement de leur constante diélectrique E,qui est une expression complexe de la forme: = ' - ji". On contrô- lera donc les fluctuations de la permittivité relative C' ou du facteur de perte (absorption) ú" dans le domaine des radios fréquences ou des microondes. Le programme de l'automate du générateur de neige règlera les débits, les pressions, l'ouverture ou la fermeture des gicleurs, en comparant les mesures reçues de ' ou ú" avec la plage admise et choisie pour la variation de la TEL.