Как работает снежная пушка. Ледяные скульптуры, Ледовые фигуры, Ледяные городки в зимнее время года

06.03.2017 08:38

На сегодняшний день снежные пушки – незаменимая вещь в самых различных областях. Это устройство для производства снега с мощным вентилятором. Снеговые пушки находят применение в авто – и авиастроительстве, в народном хозяйстве. Но особенно популярны они в сфере спортивного отдыха, на горнолыжных курортах. С помощью этого чудо устройства возможно не только создание искусственного снега, но и распыление его в нужном направлении на любом расстоянии.

Для чего и в каких случаях организаторы спортивных соревнований и активного отдыха прибегают к созданию искусственного снежного покрова? Первая причина – недостаточно снега на лыжной трассе или в районах, где находятся турбазы для активного зимнего отдыха. Также нельзя не отметить качество получаемого снега. Если настоящий снег состоит из снежинок, то искусственный – полностью из замерзших капель воды. Это повышает влажность и плотность получаемого снежного покрова, он остается ровным на всех участках. Таким образом, становится возможным создание одинаковых условий для всех участников спортивных мероприятий (которые проходят в районе с искусственным снежным покровом).

Также искусственный снег не тает дольше обычного. С чем это связано? Ответ снова сводится к составу снега. Частички получаемого снега по своему внешнему виду больше похожи на мелкую крупу, они не кристаллизуются до настоящих снежинок. Кроме того, снег из пушек – более чист и однороден, в нем нет инородных примесей, пыли и других веществ, способствующих быстрому таянию.

Производство снега: миф или реальность?

В наши дни производство снега – не миф, а реальность. Получить снег нужного качества можно, с помощью чудо техники – снеговых пушек. Итак, первая функция снежной пушки – выработка снега. Как она работает? От чего зависит качество и физические свойства вырабатываемых снежных хлопьев?

Искусственный снег можно получить разный – все зависит от температуры воды и воздуха, а также длительности полета из распылителя. Снеговые хлопья смешиваются с воздухом, а затем выбрасываются в атмосферу. Снег получается более мягким по консистенции, если дольше находится в состоянии полета. Если бы снег падал на землю очень быстро, то он был бы тяжелым и влажным. Можно сказать, что все дело в устройстве пушки. Благодаря тому, что ее вентилятор мощный и может распылять воду на очень большие расстояния, и получается мягкий снег.

Людей, катающихся на лыжах и сноубордах, становится все больше, а мест, пригодных для катания, — все меньше.

Глобальное потепление привело к тому, что сезон на некоторых старейших горнолыжных курортах сократился с четырех месяцев до одного-двух. Существуют прогнозы, по которым центр европейской горнолыжной индустрии в ближайшее время сместится из Альп в Скандинавию. В поисках снега американцы уже начали осваивать Аляску. Все, дальше идти некуда. Осталось только применить оружие. Специальное. Если же вы не подались за снегом за Полярный круг, то, скорее всего, на любимом курорте вы катаетесь на эрзаце — искусственном, или техническом, как его называют профессионалы, снеге. Без специальных машин по изготовлению снега сегодня не обходится ни один курорт, начиная от французского Шамони и заканчивая подмосковным Воленом. Практически каждый катающийся не раз видел в деле снежные пушки и их облегченные версии — снежные ружья. Со стороны процесс снегообразования выглядит просто: гигантские вентиляторы распыляют воду, которая на морозе превращается в снег. Но это только со стороны.

Настоящий снег

Природный снег образуется из атмосферных водных паров. Когда водяные пары, которые являются газообразной формой воды, охлаждаются до точки конденсации, они переходят из газообразной в жидкую или твердую форму. Привычные нам облака состоят как раз из таких сконденсированных капель, правда настолько малых, что их без труда удерживают наверху потоки восходящего воздуха. Когда капельки становятся слишком тяжелыми, они выпадают на землю в качестве дождя. Если температура оказывается сильно ниже точки конденсации, водные пары минуют жидкую фазу, образуя маленькие кристаллы. На большей части земного шара привычный нам дождь начинается, как ни странно, со снегопада, однако снежинки по мере приближения к земле успевают растаять. Дело в том, что на высоте образования облаков всегда стоит отрицательная температура, сравнимая с якутскими морозами. Простым подтверждением этого факта является град жарким летом.

Однако вода не замерзает автоматически, когда температура падает ниже точки замерзания. Дистиллированную воду можно охладить до довольно низкой температуры -40°C, а она останется жидкостью. Однако в реальной жизни пар в облаках начинает кристаллизоваться уже при 0 °C. Дело в том, что для того, чтобы пошел процесс конденсации, воде нужны мельчайшие частички, вокруг которых могли бы оседать ее молекулы. Такими центрами конденсации в атмосфере выступают мельчайшие частички сажи, городского смога, бактерии и другие материалы. Например, именно так разгоняют облака, распыляя с самолетов над ними специальные реагенты (например, йодистое серебро), выступающие как раз такими центрами конденсации.

Кристаллизуясь, вода в облаках образует причудливые шестилучевые фрактальные формы, называемые снежинками. Чем более долгое время идет процесс кристаллизации, тем сложнее рисунок снежинки. В облаках этот процесс занимает десятки минут. Искусственный же снег образуется за секунды, поэтому при ближайшем рассмотрении его кристаллы выглядят как шестиугольные с зародышами лучей, а на ощупь напоминают крупу. Однако тает такой снег медленнее натурального, и лыжи на нем скользят по‑другому.

Снежные пушки

Идея, используемая для разгона облаков (конденсация воды вокруг искусственных центров конденсации), прекрасно подошла и для производства искусственного снега. Один из наиболее распространенных реагентов-кристаллизаторов, используемых для снегопроизводства, — специальный натуральный протеин Snowmax, который великолепно справляется с задачей притягивания молекул воды.

В первых конструкциях снежных пушек вода смешивалась со сжатым воздухом и выбрасывалась через форсунки под высоким давлением в поток воздуха, создаваемый мощным вентилятором. Сжатый воздух выполнял сразу три задачи: распылял воду, выбрасывал образовавшиеся капельки в воздух и дополнительно охлаждал воду. Последний эффект основан на том, что при адиабатическом расширении газы охлаждаются. Попробуйте вскрыть баллончик с углекислотой — он мгновенно охладится до минусовых температур, рискуя отморозить руки.

Недостатком такой схемы является большой расход воздуха. Поэтому более современные пушки работают по двухступенчатому процессу. Сначала путем смешивания сжатого воздуха и небольшого количества воды образуются мельчайшие кристаллики льда — зародыши искусственного снега. Затем эти «зародыши» попадают в поток распыленной мощными вентиляторами воды, которая, кристаллизуясь на них, быстро образует готовые кристаллы снега.

Отличительной чертой всех пушек является мощный вентилятор, выбрасывающий водо-воздушную смесь на десятки метров. За время такого полета успевают сформироваться кристаллы искусственного снега, к тому же высокая «дальнобойность» позволяет заснеживать большие пространства. На горнолыжных курортах можно увидеть и другую разновидность снежного оружия — снежные ружья. Отличие их от пушек — в отсутствии вентилятора.

Процесс снегообразования в них выглядит следующим образом. Разнесенные воздушная и первая водяная форсунки подают ограниченное количество воды и воздуха в зону смешивания, расположенную на расстоянии 810 см от ружья, где образуются зародыши кристаллов снега. Эти мини-кристаллы по инерции смещаются далее, на расстоянии приблизительно 20 см от ружья они попадают в поток воды из второй форсунки, где на них налипает вода. Кристаллизация снега происходит во время свободного падения кристаллов на землю с высоты не менее 4 м.

Условия снегообразования

Наличие снежной артиллерии еще не означает решения снежных проблем. Многое зависит и от условий снегообразования, важнейшими параметрами которых являются температура и относительная влажность (отношение фактически содержащегося в воздухе водяного пара к количеству водяного пара, соответствующему состоянию насыщения). Дело в том, что вода охлаждается собственным частичным испарением, то есть переходом части жидкости в пар. Однако чем выше относительная влажность, тем более замедленным будет процесс испарения и, следовательно, охлаждения.

Поэтому при низкой относительной влажности возможен процесс снегообразования при температуре выше 00С. При высокой же влажности и при низких температурах возможно получение вместо снега обычного дождя. При относительной влажности 30% снежные пушки возможно запускать при температуре -1°C, это считается хорошими условиями для снегообразования. Если же температура падает ниже -6,7°C, то тогда можно делать снег и при относительной влажности 100%. При температуре же ниже -10°C на влажность внимания можно и не обращать.

Неудивительно поэтому, что находятся люди, которые согласны платить за то, что обычно падает с неба "задаром". Как, соответственно, существуют и те, кто этот искусственный снег производит. Многие горнолыжные курорты, в том числе в России и Швеции, благодаря использованию специальных "оснеживающих" систем продлевают горнолыжный сезон аж на четыре месяца (на два - в начале зимы и на два - весной). К тому же нужно заметить, что в это время погода наиболее мягкая и благоприятная, то есть идеально подходящая для прекрасного семейного отдыха…

СТО ИМЁН ДЛЯ СНЕГА

Говорят, в языках Северной Скандинавии существует сотня слов, обозначающих снег, что вовсе не удивительно. Ибо этого "добра" зимой здесь бывает предостаточно, да и сама структура снега очень переменчива и зависима от температуры и влажности воздуха. Любители лыж хорошо знают, что снег может быть "жёстким", "мягким", сырым и т. д. Иногда лыжи бегут "сами", а буквально на следующий день нужно прикладывать усилия даже для того, чтобы съехать под горку.

На современных лыжных соревнованиях судьбу медалей иногда решают десятые доли секунды. А в горнолыжном спорте счёт идёт уже на сотые и тысячные! И вот после того, как мы год, а то и два с нетерпением ждем международных соревнований, загодя покупаем билеты и заказываем гостиницу, организаторы в последний момент вдруг все отменяют. Поскольку Небо не "послало" в нужное место столь необходимого снега, который вместо этого опять весь выпал около вашего гаража...

Согласно данным, полученным участниками Шведского регионального проекта моделирования климата (SWECLIM), к 2010 году среднегодовая температура в Швеции повысится на 3,8оC. По расчетам, потепление в Северной Европе будет более значительным, чем в остальных регионах, что может принести любителям зимних видов спорта большие разочарования. Ожидаемое также увеличение годовой нормы осадков произойдёт, скорее всего, за счёт летних и в особенности осенних дождей. Вместе с ростом среднезимних температур это приведёт к уменьшению снежного покрова и более позднему открытию лыжного сезона. Причем проблемы со снегом характерны не только для Скандинавии. Например, на горнолыжных курортах Восточной Сибири открытие лыжного сезона в 2003 году состоялось лишь в канун Нового года, а зимой 1998-99 годах - только 3 января!

Таким образом, "искусственный" снег в лыжном спорте олицетворяет стабильность и качество. Снегогенераторные системы используются тогда, когда необходим контроль над ситуацией: чтобы снег лежал там, где нужно, тогда, когда нужно, и такой, какой нужен. Следует отметить, что применение снегогенераторных систем выходит за спортивные рамки. "Искусственный" снег может использоваться при проверке противообледенительных систем самолётов, при тестировании зимних автопокрышек и даже для защиты молодых лесопосадок от морозов.

СДЕЛАТЬ СНЕГ - ЛЕГКО?

Большинство уверено, что "сделать" снег проще простого - были бы вода и мороз. Но это лишь кажущаяся простота. Мы предлагаем тем, кто живёт в холодном климате, простой и безопасный эксперимент. Возьмите распылитель воды, который обычно используется для увлажнения комнатных растений или при глажении белья. Наполните его холодной водой из водопроводного крана, выйдите на улицу в холодный (холоднее, чем минус 10°С) день и начните разбрызгивать воду повыше в воздух. Как вы думаете, что у вас получится? Большие и пушистые снежинки? Ничего подобного - маленькие блестящие… льдинки.

Почему же зимой с неба падают именно снежинки? "Секрет их производства", спрятанный высоко в облаках, заключается в постепенном нарастании микрокристаллов льда на так называемый начальный "центр конденсации" при определенных условиях. Если условия будут неподходящие, вместо снежинок выпадут твёрдые ледяные шарики (летний град) или то, что в России называется "крупа", то есть сравнительно плотный, гранулированный снег, характерный для поздней осени.

Что же необходимо для успешного "снегоделания"? Очевидно, вода определенной температуры, "разбрызганная" определённым образом, холодный воздух… Еще - какое-то природное "волшебство" или, по крайней мере, сложное техническое оборудование. И только тогда мы со всей уверенностью сможем возвестить: да будет Снег! И он - будет!

ЗАГЛЯНЕМ В ДУЛО "СНЕЖНОЙ ПУШКИ"

А теперь - для тех любознательных, кто не убоится некоторых технических подробностей. Снегогенераторные аппараты, использующиеся в наше время, можно поделить на два основных типа: вентиляторные (обычно называемые "снежными пушками") и мачтовые. В России наиболее распространены генераторы первого типа. Главным узлом этих устройств, как следует из названия, является вентилятор большой мощности, создающий непрерывный поток воздуха, в который затем впрыскиваются капельки воды.

Смесь, изверженная генератором, должна провести некоторое время в воздухе, прежде чем в виде хорошо сформировавшегося снега упадёт на землю. Поэтому "снежной пушке" сложно набрасывать снег "прямо под ноги", поскольку наилучший снег получается на расстоянии примерно 10-20 м от установки. Это проще делать с помощью специальных снежных мачт, которые к тому же дешевле вентиляторных пушек.

Все современные снегогенераторы снабжаются системами автоматики разной сложности (от систем защиты от перегрузок до систем полного контроля за управлением).

ДЕЛАТЬ СНЕГ - ЭТО ИСКУССТВО!

Современная система оснеживания не ограничивается только генераторами снега, расставленными вдоль горнолыжного склона или лыжни. Очевидно, что необходимо еще проложить трубы для подвода воды и электрокабель. Трубы при этом не должны промерзать даже в самый сильный мороз, поэтому они обычно вкапываются в землю (в Сибири и Центральной Швеции - на глубину не менее 50-70 см). Через определённые интервалы нужно организовать "точки подключения" снегогенераторов, включающие электрический разъём и устройства подачи воды ("гидрант").

Не нужно забывать, что даже "простой" горнолыжный склон может иметь длину более километра и перепад высот в 400-500 м. На подобном склоне потребуется расположить около десяти "точек подключения", а у подножия - водяной насос высокого давления (до 40 атмосфер) высокой производительности. Чтобы набросать достаточное количество (обычно 10-20 см) "искусственного" снега на километровый склон, 4-5 "снежных пушек", каждая из которых потребляющая до 500 л воды в минуту (что соответствует примерно одной средней ванне воды за 15 секунд), должны работать непрерывно в течение 5-7 суток. В целом производительность современных снегогенераторов потрясающа - они способны производить до 100 м3 снега в час! "Снежные пушки" с гидравлическим поворотным устройством способны покрывать снегом до 1000 м2 поверхности каждая.

Оснеживание беговой лыжни отнюдь не проще. Тут, конечно, нет таких перепадов высот, как на горнолыжных склонах или трамплинах, зато длина трасс исчисляется уже десятками километров. Прокладывание столь длинных трубопроводов достаточно дорого. Именно поэтому одним из распространённых решений является установка "снежных пушек" и цистерн с водой на самоходное шасси, колёсное или гусеничное. В этом случае оснеживание любой площади - только вопрос времени.

Как проверить, насколько хорош свежеизготовленный снег? Устроить проверку "качества" продукта? Специалисты говорят, что снег для горнолыжного склона должен иметь плотность от 400 до 500 кг на м3, то есть быть в 2-2.5 раза легче льда или воды.

Измерение плотности сводится к измерению веса кусочка "снежного пирога" определённого размера, аккуратно вырезанного со склона. Есть, правда, способ проще. Внимательные лыжники могли заметить, что специалисты по оснеживанию (главные "снегоделы") обычно одеты в чёрные куртки из особого материала. Это не просто униформа, а своего рода "инструмент" для проверки качества снега. Для этого "снегодел" подходит к работающей "пушке" и подставляет руку под снежный поток на расстоянии около 15 м от выходного среза. Через 15-20 с (точные цифры - производственный секрет!) специалист отходит в сторону и стряхивает снег с рукава, болтая рукой. После чего проверяет, что же налипло на ткань. Если весь снег стряхнулся, он слишком сухой. Если весь остался - слишком влажный. Нужное качество лежит где-то посередине. И как раз здесь-то и начинается искусство "снегоделания".

РЕЦЕПТ ХОРОШЕГО СНЕГА

У современных снегогенераторов есть достаточное число "степеней свободы" для подстройки и обеспечения хорошего качества снега при любой, достаточно низкой, температуре воздуха. А что делать, если внешние условия (температура воздуха, влажность) быстро меняются? Понятно, что в таком случае необходимо постоянно корректировать "настройку" генератора, чтобы качество производимого снега не снижалось. К счастью, благодаря автоматизации оператору не требуется бегать вверх-вниз по склону, чтобы перенастроить систему. Причём автоматическая настройка может осуществляться как на уровне отдельного снегогенератора, так и на уровне всей системы оснеживания в целом. Сложные системы автоматики, которые включают в себя микропроцессоры и стационарные компьютеры, а также "погодные станции" могут работать без особого вмешательства человека неделями и месяцами.

Если использовать ресторанную аналогию, рецепт хорошего "снегоделания" с использованием автоматизированной системы скорее напоминает инструкцию по эксплуатации какой-нибудь современной хлебопечки: "заложить муку, дрожжи, залить воду, нажать кнопку и ждать звонка - готово!" Конечно же ни один уважающий себя шеф-повар не позволит себе ничего подобного: всё будет сделано традиционно, в "ручном режиме", с поправкой на "нюх и на взгляд". Так же и хороший "снегодел", у которого за плечами долгие годы работы, будет регулировать систему с учетом множества только ему ведомых факторов: было ли сегодня "гало" вокруг солнца, как вчера хрустел снег, какого цвета был закат, и Бог знает чего ещё... Однако как хорошего повара, так и умелого "снегодела" найти нелегко, да и платить им надо астрономические суммы. Компьютерная автоматика обходится дешевле, с ней легче управляться, и она не спорит, если приходится работать сверхурочно.

Кстати, на международных соревнованиях, где тусуются "сливки" спортивного бомонда, снег готовят как раз не уникальные специалисты. Современные спортивные состязания требуют, по возможности, стандартного инвентаря и стандартных условий проведения, чтобы обеспечить равноправие для всех участников. Поэтому всё чаще устроители соревнований обращаются к автоматизированным системам оснеживания даже при достаточном количестве природного снега, стандартизировать который весьма сложно.

В северной Европе за период 1990-2100 гг. предполагаются значительные изменения климата, обусловленные повышением среднезимних температур (А) и годовой нормы осадков (Б).

Производству "искусственного" снега уже более 50 лет. Первые экспериментальные установки начали создаваться в 1950-60-х г.г. в странах, где горнолыжный спорт пользовался высокой популярностью. Патенты на способы создания искуственного снега были поданы в 1968 г.

В вентиляторных снежных "пушках" мощный вентиллятор (4) создаёт непрерывный поток воздуха, который движется через основные (1) и нуклеационные (2) кольца с форсунками. В первые кольца под давлением подаётся вода, во вторые - водно-воздушная смесь.

Через форсунки основных колец в воздушный поток впрыскиваются мельчайшие водяные капли. Форсунки "нуклеационного" кольца создают центры конденсции, необходимые для образования и роста снега.

Между вентилятором и кольцами находятся пластинки-лопасти (3), прикрепленные изнутри к кожуху генератора. Они способствуют лучшему перемешиванию компонентов смеси вода-воздух.

Во многих снежных пушках используется несколько основных колец, каждое - с отдельным водяным вентилем. Благодаря этому можно регулировать производительность снегогенератора. Основные узлы заключены в металлический кожух (6) с защитной сеткой (5) на входе системы.

В снегогенераторе также имеются устройства подачи электроэнергии (7), воды под высоким давлением (9) и сжатого воздуха(8).

Вентилляторные снежные пушки могут устанавливаться и на самоходном гусеничном шасси
В снежных "пушках" кожух снегогенератора (D), система автоматизации (A) и компрессор (C) монтируются либо на колёсном шасси, либо на прочной "ноге" (T). Вода подаётся по шлангу со специальным разъёмом для быстрого подключения (W). Управляющие сигналы (CS) подаются от центральной компьютерной системы через отдельный "сигнальный кабель" или по радио

У снежной "мачты" генерирующие снег элементы подняты над землёй на высоту до 10 м. Благодаря этому вся распыленная вода успевает полностью конденсироваться в виде снега, пока последний под своим весом падает на землю.

Работа по подготовке снежного склона или лыжни не ограничивается только производством снега. После генерации снег должен "отлежаться" несколько дней ("созреть", как созревает молодое вино). После этого наступает очередь специальных снежных машин (так называемые пистмашины или ретраки), которые разравнивают снег, уплотняют и размягчают его поверхность.

В заключение мы хотим пожелать читателям хорошего снега - на настоящие и все будущие лыжные сезоны! Мы также хотим пожелать тем, кто ещё не приобщился к горнолыжной "забаве", хоть раз попробовать. Ведь сегодняшние возможности для горнолыжных энтузиастов всех возрастов и любой квалификации просто неисчерпаемы!

Помимо очевидной пользы для здоровья - поскольку вы проводите время на чистом воздухе, борясь с последствиями гиподинамии, - занятия лыжным спортом доставляют огромное удовольствие! Ну, а когда вы снова окажетесь на своем любимом склоне, вы сможете со знанием дела рассказать друзьям о том, сколько усилий и знаний скрывается стоять за кажущимся таким простым и привычным "идеальным" снегом.

Авторы:
КОПТЮГ Андрей Валентинович - кандидат физико-математических наук, выпускник Новосибирского государственного университета. Доцент факультета информационных технологий Университета Центральной Швеции (г. Эстерзунд)
АНАНЬЕВ Леонид Григорьевич - директор шведско-российской компании СвеРусс Консульт (SveRuss Konsul) (Швеция, г. Эстерзунд)
ОСТРЕМ Йохан - MSc in Engineering, директор компании АРЕКО Сноусистем (ARECO Snowsystem)(Швеция, г. Эстерзунд)

Статья печатается в сокращении.

Евгений Ципорин / Александр Козлов / Александр Бутенко

(Группа компаний «Горимпекс»)

Россия - страна, как с самым большим (в перспективе) рынком лыжного снаряжения, так и с самыми большими в мире возможностями по строительству и эксплуатации современных лыжных центров. Сегодня подавляющее большинство российских лыжников катаются не в самых лучших условиях, а значит - есть дефицит, а значит, - рынок для строительства подобного рода спортивных сооружений супер-перспективен, лыжные центры будут востребованы наверняка. Вместе с тем, этот рынок имеет ряд особенностей. Стоит отметить, что большинство существующих в реальности или на бумаге российских лыжных центров расположены поблизости от больших городов, что является как набором «плюсов» (удобно добираться от городской черты до лыжной трассы, удобно организовывать саму работу лыжного центра с точки зрения коммуникаций и т.п.), так и набором «минусов» и про вот один из таких «минусов» необходимо сказать подробно.

Дело в том, что большинство российских городов, а особенно - городов- «миллионников», вокруг которых и собраны лыжные центры, расположены в зоне с неустойчивыми зимами, с изменчивой погодой с ноября по март и с мгновенно исчезающим бесценным снежным покровом в случае оттепели. Все помнят «чудовищную» зиму сезона 2006–2007 г.г., побившую все показатели по высоким температурам - до +14 °С в Москве в январе и такие «рекорды» были установлены по всей европейской территории России.

Естественно, что такие природные катаклизмы «убивают» любой спрос на услуги лыжных центров, сводят на нет все усилия по строительству и благоустройству: нет снега - никто из лыжников не приедет поглядеть на зеленую травку, протаявшую сквозь перемерзшую грязь. Вместе с тем, даже такие «минусы» можно превращать в «плюсы», используя современные технологии, а именно - устанавливая на лыжных центрах системы механического оснежения, попросту говоря - системы, делающие искусственный снег.

Подобные технологии используются на Западе уже много лет, они тщательно проработаны и позволяют даже в условиях города (пример - ежегодный этап Кубка мира по лыжным гонкам в Дюссельдорфе) делать полноценную лыжную трассу.

Вместе с тем, эти технологии имеют ряд особенностей, учитывать которые необходимо.

Практически все лыжные центры Европы используют производство снега с помощью систем оснежения в периоды, когда природного снега недостаточно для полноценного катания на лыжах. Процесс образования искусственного снега требует трех составляющих - низкой температуры окружающей среды, значительного количества воды и, наконец, наличия сжатого воздуха. При получении снега с помощью снегогенераторов (снежных пушек) используются значительные объемы воды и электрические мощности. Эта статья включает в себя следующие разделы:

1. Системы оснежения

2. Резервуары

3. Температура по влажному/сухому термометру

4. Специальные добавки

5. Системы предварительного охлаждения воды

6. Управление системами оснежения

7. Воздушные компрессоры

8. Трубопроводы

1. Системы оснежения

Профессиональный подход к производству качественного снега очень важен, и многие из поставщиков систем оснежения говорят «Производство снега - искусство». Качество снега, полученного в результате применения систем оснежения, может варьироваться от «очень сухого» до «очень влажного». Трассы для новичков, для массового использования не такие, как трассы для профессионалов, и требуют совершенно другой толщины снежного покрова и качества снега. Качество снега также влияет на удобство процесса распределения его по лыжным трассам. К примеру, для получения трассы исключительного качества, зачастую, на основной слой влажного тяжелого снега бывает необходимо уложить слой сухого и легкого снега.

Системы оснежения воспроизводят природный процесс снегообразования. В природе снег образуется в результате конденсации водных паров в микрокристаллы льда при низкой температуре окружающей среды и низкой относительной влажности. Чистая вода замерзает (теоретически) при температурах ниже 0 °С , когда несколько молекул воды соединяются одна к другой, и образуют то, что называют эмбрионом, затравкой или центром нуклеации. Близлежащие молекулы воды продолжают присоединяться к эмбриону и формируют кристаллы льда. Такой процесс называется гомогенной нуклеацией. Если при образовании кристаллов льда в воде присутствуют примеси, то такой процесс называется гетерогенной нуклеацией. Примеси служат в качестве центров нуклеации (затравок ) для формирования кристаллов льда. Гетерогенная нуклеация возможна даже при положительных температурах окружающей среды. Температура, при которой происходит образование ледяных кристаллов на примесях, называется температурой гетерогенной нуклеации. Машины для производства снега - снегогенераторы, используют эти физические процессы для приготовления снега с использованием охлаждающего сжатого воздуха, воды и, иногда, добавок, которые используются как катализаторы кристаллизации.

Существует три типа снегогенераторов (снежных пушек) - снегогенераторы с внутренним смешиванием, снегогенераторы с внешним смешиванием, и, наконец, вентиляторные снегогенераторы. Факторы, которые учитываются при выборе типа оборудования, включают в себя:

Скорость ветра;

Направление ветра;

Температура окружающего воздуха;

Относительная влажность;

Доступность сжатого воздуха;

Доступность электроэнергии;

Расположение склонов к сторонам света;

Ниже приведены краткие описания трех типов систем оснежения:

Система с внутренним смешиванием - система с использованием смешивания воды и воздуха во внутренней камере форсунки снегогенератора. При выходе смеси воды и сжатого воздуха из форсунки происходят расширение этой смеси и термодинамический эффект охлаждения (ниже 0 °С). Крошечные капли воды замерзают, формируя микрокристаллы, которые, в свою очередь, становятся центрами нуклеации. На таких центрах нуклеации (затравках ) из более крупных капель формируются хлопья снега.

Система с внешним смешиванием - Еще один тип водовоздушной системы. Такие системы предусматривают выход сжатого воздуха и воды под давлением через отдельные сопла снегогенератора. Сжатый воздух расширяется и сильно охлаждает микроскопические капли воды, выходящие из водных форсунок. При этом образуются центры нуклеации. В системах с внешним смешиванием скорость струи ниже, чем в системах с внутренним смешиванием. По этой причине снегогенераторы с внешним смешиванием монтируются на башнях для того, чтобы дать каплям воды достаточно времени для нуклеации и формирования снега до достижения ими уровня грунта. Иногда используют системы с внешним смешиванием без применения сжатого воздуха и вентиляторов. При этом для успешного производства качественного снега используют дорогостоящие добавки, высокие давления и охлажденную воду.

Вентиляторные системы - В вентиляторных системах используется подача воздуха с помощью вентилятора, вместо сжатого воздуха, для формирования взвеси капель воды в воздухе. При этом капли находятся в воздухе достаточное время для того, чтобы значительно охладиться и замерзнуть. Вентиляторные системы зачастую оснащены также устройствами для зародышеобразования. Обычно такое устройство состоит из небольшого воздушного компрессора, установленного непосредственно на снегогенераторе, и контура зародышеобразующих воздушных форсунок. При этом смешивание сжатого воздуха с водой и последующая кристаллизация происходит уже в окружающей среде. Этот тип пушек наиболее востребован и распространен.

Снегогенераторы, которые используются в системах с внутренним и внешним смешиванием, не требуют внешнего источника электроэнергии на месте установки снегогенератора. Но, несмотря на это преимущество, такие системы требуют наличия централизованных компрессорной и насосной станций. Вентиляторные пушки требуют подвода силовых кабелей непосредственно на место установки снегогенераторов для питания вентиляторов и воздушных компрессоров. Системы с внутренним смешиванием и системы вентиляторных пушек работают в очень широком диапазоне температур и позволяют контролировать качество снега, благодаря использованию вентиляторов и воздушных компрессоров. Эти технологии наилучшим образом подходят для широких трасс и трасс, которые планируется открывать в самом начале зимнего сезона для первоначального покрытия снегом. Системы с внешним смешиванием являются более экономичными в плане расхода электроэнергии, но позволяют работать в более узком диапазоне температур. Еще одним недостатком систем с внешним смешиванием является высокая чувствительность снегогенераторов к ветру. При использовании систем с внешним смешиванием требуется на 30% больше работы снегоуплотнительных машин, по сравнению с использованием систем с внутренним смешиванием/вентиляторных систем. Такие системы рекомендуется использовать для узких трасс и трасс, открывающихся позднее. При выборе типа снегогенераторов учитывается не только первоначальная стоимость покупки снегогенераторов, но и стоимость самой системы (башни, насосные/компрессорные станции). В расчет также принимаются эффективность и возможность применения данного типа снегогенераторов в конкретных условиях склона. При этом учитываются температура оснежения, тип местности, ширина трассы, желаемая дата начала сезона, требования к уровню шума.

Таблица 1. Преимущества и недостатки определенных типов систем оснежения

2. Искусственные водоемы

Получение снега требует значительного количества воды. Для создания снежного покрытия толщиной 16 см на площади 60 на 60 м требуется 277500 литров воды. Такая значительная потребность в водных ресурсах зачастую бывает проблемой для лыжных центров, поскольку требуются источники воды со значительным запасом воды. Водозабор из природных источников во время зимнего сезона при низкой скорости течения воды может нанести вред природе. Для защиты обитателей водоемов и возможности использования небольших ручьев и речек обычно создаются искусственные водоемы систем оснежения. Использование искусственных водоемов позволяет также минимизировать затраты на транспорт воды по трубопроводам. Такая экономия за счет сил гравитации возможна при условии, что водоем будет располагаться выше уровня установки системы оснежения. При этом затраты на строительство искусственного водоема окупаются за счет экономии электроэнергии на подъем воды в течение нескольких лет.

3. Температура по влажному/сухому термометру

За температуру сухого термометра принимают температуру окружающего воздуха. Относительная влажность - количественный показатель содержания водных паров в атмосфере. Относительная влажность окружающего воздуха играет очень важную для производства снега роль. Увеличение количества водных паров в воздухе ведет к уменьшению скорости охлаждения водных капель до температур нуклеации (образования кристаллов). При распылении водных капель в воздух при низкой влажности, то есть при низком содержании водных паров , часть этой воды испаряется и за счет этого охлаждает окружающий воздух, т.к. для испарения воды нужно нагреть ее до достижения скрытой теплоты испарения. Чтобы испарить 1 литр воды, нужно 539 калорий, в то время как для ее замерзания требуется только 80 калорий. Это означает, что испарение одного литра воды позволяет заморозить 6,7 литров воды при температуре 0 °С (для охлаждения воды на 1 °С требуется высвобождение только 1 кал. и в этом причина того, что температура воды не слишком сильно влияет на термальный баланс процесса производства снега).

В первом приближении можно принять охлаждающий эффект процесса испарения следующим образом: уменьшение реальной температуры по сухому термометру на 0,5 °С на каждые 10% падения относительной влажности. Примеры:

Воздух при -2 °С и 50 % относительной влажности имеет ту же охлаждающую способность, что и насыщенный воздух (100% отн. вл.) при -4 °С.

Воздух при 0 °С и 40% относительной влажности имеет ту же охлаждающую способность, как и насыщенный воздух при -3 °С.

Температура по смоченному термометру (влажностная температура) учитывает сразу два фактора - температуру окружающей среды и относительную влажность, поэтому этот параметр и применяется при проектировании систем оснежения. Температура по влажному термометру - это температура микрокапель, выходящих из форсунок снегогенератора, которая достигается при завершении всех теплообменных процессов с окружающей средой. Все автоматические системы (включая управление водными ресурсами), установленные в западных странах Европы, обычно начинают производить снег при -4 °С по влажному термометру. При этом полагают, что производство снега при более высоких температурах является непродуктивным и неоправданно дорогим. Только на нескольких курортах, расположенных в более теплых частях Европы, например в Испании и Португалии, начинают производить снег при -2 °С по влажному термометру, поскольку в таком случае не остается выбора.

4. Специальные добавки

Для формирования кристаллов воды при высоких температурах окружающей среды используют специальные добавки в воду. Молекулы таких добавок играют роль зародышей (затравок ), вокруг которых происходит формирование кристаллических структур. Как было сказано выше, такой процесс формирования кристаллов называется гетерогенной нуклеацией. В качестве специальных добавок используются специальные белки (протеины). Такие добавки позволяют экономить электроэнергию и производить снег хорошего качества при маргинальных температурах. Принятие решения использовать специальные добавки обычно зависит от чистоты используемой воды и наличия/отсутствия в ней природных веществ, способствующих процессу кристаллообразования. Зачастую вода из природных водоемов уже содержит достаточное количество необходимых веществ, и, следовательно, использование добавок не требуется.

5. Системы охлаждения

При температурах источника воды более +5°С для охлаждения воды перед подачей ее на систему оснежения используют специальные системы охлаждения. Уменьшение температуры воды положительно влияет на эффективность снегообразования путем снижения потерь энергии на испарение воды. Системы охлаждения могут иметь различные конструкции и принципы работы. Могут использоваться как градирни (охлаждающие башни), так и системы прямоточного охлаждения. Использование градирен позволяет раньше открывать горнолыжный сезон и производить снег при более высоких температурах окружающей среды.

6. Управление системами оснежения

Одним из важных моментов при выборе оборудования для системы оснежения является выбор типа управления, так как от этого в значительной степени будут зависеть дальнейшие эксплуатационные затраты.

Описание работы и преимущества автоматических систем:

Информация о погодных условиях окружающей среды (влажность, температура, скорость и направление ветра) поступает в виде стандартного аналогового или цифрового сигнала на систему управления. Система автоматизации производит оценку погодных условий и автоматически (без участия оператора) регулирует технологические параметры процесса производства снега. Оператор, при желании, также может с помощью компьютера задавать рабочие параметры процесса. Автоматическое управление позволяет значительно снизить затраты на перекачивание воды и воздуха (не требуется излишних затрат на перекачивание излишков) и на обслуживание системы. Значительно сокращается время, необходимое для настройки системы, поскольку время отклика компонентов системы составляет всего лишь доли секунды. При этом эффективность автоматических систем с внутренним смешиванием и вентиляторных систем возрастает на 30-50% по сравнению с ручными системами.

Для систем с внешним смешиванием увеличение эффективности незначительно, поскольку такие системы не требуют постоянных регулировок. При резких переменах погодных условий бывает необходимым перейти с оснежения одной площади на другую. Программное обеспечение позволяет оператору с легкостью сконцентрироваться на таких задачах, в то время как адаптация к погодным условиям обеспечивается самой системой. Система управления автоматически регулирует давление воды для адаптации системы оснежения к погодным условиям. Более того, автоматика воздушных компрессоров регулирует давление в воздушной линии и при необходимости распределяет нагрузку между компрессорами, а также включает /выключает их в зависимости от потребности системы в воздухе. Программное обеспечение позволяет осуществлять непрерывный мониторинг параметров процесса (температура воды, расходы/давления воды и воздуха).

Запуск систем с ручным управлением занимает от одного до четырех часов, а выключение от одного до трех часов. В начале сезона промежутки времени, в течение которых возможно производить качественный снег, составляют от 6-ти до 8-ми часов. Запуск и выключение автоматических систем происходит за семь-пятнадцать минут. Автоматические системы в непрерывном режиме следят за качеством производимого снега путем непрерывной подстройки рабочих параметров снегогенераторов. Ручные же системы требуют контроля и настройки квалифицированным персоналом непосредственно на месте установки снегогенераторов в случае изменения погодных условий, что отрицательно сказывается на качестве снега и повышает его себестоимость. Прирост оперативной эффективности систем оснежения по сравнению с ручными системами составляет 40-60%.

Надежность и безопасность систем являются определяющими факторами при выборе типа управления, поскольку в системах используются очень высокие давления воды и воздуха. Правильно установленная система автоматики позволяет контролировать эти параметры без вмешательства оператора в работу потенциально опасных элементов систем. Система мгновенного оповещения о внештатных ситуациях и состоянии оборудования позволяет оператору без промедления скорректировать работу системы.

Наконец, системы автоматики создают архивные файлы-отчеты обо всех аспектах процесса снегогенерации (израсходованная электроэнергия, потребленные водные ресурсы, количество и качество произведенного снега, а также экономические анализы).

7. Воздушные компрессоры

Наличие системы воздушных компрессоров - зачастую неотъемлемое условие существования системы оснежения. Сжатый воздух, при выходе его из форсунки снегогенератора, служит для получения дисперсии микрокапель в воздухе. Эти микрокапли и являются «сердцем» будущих снежинок. Для систем с внутренним смешиванием использование сжатого воздуха является необходимым условием получения водовоздушной смеси. Для таких систем процесс образования кристаллов снега зависит от продолжительности нахождения капель в воздухе и от эффекта охлаждения при расширении водовоздушной смеси на выходе из форсунки. Системы с внешним смешиванием и вентиляторные системы основаны на этих же физических закономерностях.

Главный источник энергопотребления в системах оснежения - воздушные компрессоры. Обычно, 40-70% энергопотребления приходится на воздушные компрессоры и их автоматику. Системы сжатия воздуха состоят из компрессоров, системы подачи воздуха, элементов автоматики и, иногда, систем для хранения сжатого воздуха. Первоначальные расходы на покупку воздушных компрессоров - только часть подводного айсберга капитальных затрат, поскольку годовая сумма счетов за электроэнергию сравнима с затратами на приобретение самих компрессоров. Поэтому для систем оснежения очень важен выбор компрессора с высокими эффективностями и КПД. Немаловажную роль играет также герметичность систем подачи воздуха, поскольку при ее негерметичности возможны потери до 20-30% произведенного сжатого воздуха.

8. Трубопроводы

Особое внимание в системах механического оснежения уделяется трубопроводам, от которых в немалой степени зависит качество, надёжность и долговечность работы всей системы. Европейскими компаниями, на основе многолетнего опыта эксплуатации и с учётом специфики монтажа в горных условиях, были разработаны специальные виды труб, технологии их укладки и соединения, обеспечивающие оптимальное соотношение скорости, качества и затрат на систему водоснабжения.

Например:

При использовании относительно дорогостоящих быстроразъёмных труб с внешним и внутренним пластиковым покрытием и 30-летним сроком службы обеспечивается высокое качество воды, максимальная скорость и минимальная себестоимость строительных работ и дальнейшей эксплуатации, так как нет необходимости в долговременном использовании спец. техники, высококвалифицированных монтажниках, сварщиках, тестировании швов и т.д.

При использовании максимально дешёвых сварных, длинных и тяжёлых «чёрных» труб, специально не предназначенных для использования в условиях сильно пересеченной местности (укладка которых требует спецтехники, способной работать на каменистых грунтах при больших уклонах, специальных технологий качественной сварки, «заякоревания», монтажа, гидроизоляции и пр.) не только в 3-4 раза возрастает общая себестоимость строительства водопровода, но из-за низкого срока службы (около 5-ти лет) и качества воды (ржавчина) резко возрастают эксплуатационные расходы на всё оборудование механической системы оснежения в целом (насосные станции, гидранты, снегогенераторы).

Оптимальным вариантом при низкой первоначальной стоимости и приемлемом качестве (если позволяют сроки благоприятных для работ погодных условий) являются лёгкие раструбные сварные оцинкованные трубы. Но целесообразность их применения обязательно должна определяться исходя из специфики условий местности в каждом конкретном случае.

Надеемся, что приведенные выше данные убедят потенциальных инвесторов и организаторов современных лыжных центров в том, что при установке систем механического оснежения необходимо учитывать все факторы, связанные как с техникой, так и с местом, где будет монтироваться система. Кроме того, система механического оснежения всегда нуждается в установке и обслуживании ТОЛЬКО профессионалами и «любительство» в этом процессе недопустимо.

Для составления технико-экономического предложения организатор лыжной трассы должен представить топосъемку местности в масштабе М 1:1000 или М 1:2000 со следующими данными:

Площади, подлежащие оснежению;

Схемы лыжных трасс и здания инфраструктуры;

Место и характер водозабора (дебет воды куб.м./час);

Время для первоначального оснежения с толщиной слоя снега 30см (обычно принимается 50-200 часов);

Данные по температуре и влажности воздуха или по температуре по влажному термометру (для запуска системы в начале сезона, для работы в течение сезона);

Данные о преобладающем направлении и скорости ветра;

Степень автоматизации системы (ручная, полуавтоматическая, полностью автоматическая централизованная).

Для планирования ЛЮБЫХ инвестиций, как по размеру, так и по срокам в системе механического оснежения необходимо ОБЯЗАТЕЛЬНО учитывать несколько факторов, а именно:

1. Любой лыжный комплекс, претендующий на интенсивное и эффективное использование, нуждается в системах механического оснежения.

Даже в местности с достаточным естественным снежным покрытием применениесистем механического оснежения позволяет не только продлить сезон как минимум на месяц, повышаярентабельность,но иобеспечивает стабильностьпланирования и проведения различных мероприятий и соревнований, гарантирует наличие устойчивого снежного покрытия на трассахс интенсивным использованием, позволяет создавать специализированные снежные сооружения (горки, широкие зоны «старт-финиш» и пр.), что, в свою очередь, резко повышает ликвидность комплекса в целом.А в условиях «глобального потепления» применение систем механического оснежения становится особенно актуально.

2. Системаоснежения - это комплекс инженерных сооружений и устройств, который обязательно включает:

Искусственный водоем для хранения воды (если нет естественного - озера или реки);

Водозабор (погружные, скважинные насосы);

Систему фильтрации воды;

Оборудование для охлаждения воды (градирня или прямоточное охлаждение), при необходимости;

Основные насосные/компрессорные станции (насосная станция может быть мобильной, в некоторых типах систем оснежения компрессоры устанавливаются непосредственно на пушках)

Подвод воды/воздуха (трубопроводы, гидранты, система дренажа)

Измерительное оборудование (погодные и ветровые станции, приборы контроля давления и расхода воды/воздуха и т.п.)

Снеговые пушки различного типа (водно-воздушные с внутренним и внешним смешиванием, вентиляторные многофорсуночные и с центральной форсункой) стационарные или мобильные

Системы управления системой оснежения (блоки ПЛК (программируемый логический контроллер), кабели управления или оптико-волоконная сеть, ПК при централизованном управлении, модули радиоуправления)

Подвод силового электропитания от ТП (разъемы для подключения пушек, электрический силовой кабель).

Системы механического оснежения Snowstar . Проектирование, монтаж, ремонт, сервисное обслуживание.

Официальный представитель Snowstar в России – Группа компаний «Горимпекс».

Искусственный снег в наше время очень популярен при проведении шоу, различных праздников, мероприятий, свадеб и юбилеев. Его используют в спектаклях как декорации, для оформления магазинных витрин, в интерьере баров и ресторанов снег тоже найдёт применение. Он не оставляет пятна на одежде, не токсичен, внешне выглядит точно как настоящий.

Как сделать искусственный снег своими руками

Самое главное, потребуется жидкий концентрат или специальный порошок. Он в основном изготавливается зарубежными производителями.

Чтобы сделать искусственный снег своими руками нужно в этот порошок или концентрат добавляют обычную воду, и после этого он увеличивается в своем объёме почти в сто раз. Хранится такой искусственный снег несколько суток. После стечения времени он начинает высыхать и уменьшаться в объеме. Если его весь собрать и снова добавить воды, он примет свое прежнее состояние. Искусственный снег легко смывается и не пачкает поверхность.

Снежная пушка

Намести красивые снежные сугробы очень просто будет всего за несколько секунд. Для того чтобы получить эффект метели или падающего снега, применяют воздушную пушку и специальный генератор снега. Генератор — это специальное устройство, вес которого от одиннадцати до двадцати кг. Но бывают установки для искусственного снега еще большого размера — от сорока кг. Работает такой генератор снега на концентрате, который ранее разбавляется водой. Поставляют концентрат из Америки, и он сертифицирован. Одного литра воды хватает на час работы такой установки. Размеры и форму снежинок можно запрограммировать заранее. Разброс снежинок — до пятнадцати метров.

Видео: сравнительный тест пушек-генераторов снега.

Цена на снежную пушку составляет 150.000-1.000.000 рублей. Стоимость зависит от её производительности. В основном их используют для горнолыжных склонов. Для начала лучше купить самый недорогой генератор снега. Его также можно сдавать в аренду. Стоимость аренды за час работы колеблется от двух до пяти тысяч рублей.