[Principe de fonctionnement des canons à neige]
Etude basée sur des échanges avec les snowmakers de Villard de Lans (bonjour à Bernard et Eric !), le constructeur YORK, son entité DUPLAN, ainsi que des discussions lors de l'ALPEXPO 2004.
Mise à jour : Mai 2010 (Extensions 2010) ..... 17 sept 2006 (Extension 2006 & Saphyr) ..... 20 sept 20096 (Extension 2008-2009)
Copyright © 2003-2006 Patrick Fagis et Olivier Miclo , Tous droits réservés.

Ce schéma laisse apparaître les différents projets d'extensions.
Projets sur pistes Salamandre haut, Salamandre bas et Glovettes.
L'extension vers Corrençon est prévue. Le dimensionnement des tuyaux entre le lac de la Moucherolle et le TK Ourson ont été créés pour.
Un second compresseur d'air est prévu dès l'été 2004 en SDM2 ou SDM3. Il le sera très probablement en SDM3 puisque cette salle des machines dispose déjà d'un circuit de refroidissement des compresseurs, contrairement à la SDM2.

Cliquez ici pour observer le plan.

Les stations de ski ne disposent pas toutes des mêmes installations. Cela est lié au budget de celles-ci, à la grandeur des pistes de ski à équiper, ainsi qu'à leurs facultés à prévoir les projets futurs.
Différents principes de fonctionnement existent :

•  Canons à neige mono fluide (un seul réseau d'eau + ventilateur)

•  Canons à neige bi fluide (réseau d'eau + réseau d'air) à induction ou nucléation

Dans cette étude, nous avons choisi de parler de ce que l'on trouve le plus fréquemment, c'est-à-dire l'utilisation de canons à neige « bi-fluide » (réseau d'air et d'eau) associés à une retenue d'eau (lac). Cela permettra au lecteur de comprendre le fonctionnement non pas sur un cas précis, mais dans le « cadre général ».

Ce principe est utilisé à Villard de Lans.

Les canons à neige bi fluide utilisent de l'air sous pression et de l'eau pour fonctionner. Sous la terre se trouvent donc deux réseaux (air et eau). Une ou plusieurs salles des machines (SDM) abritent des compresseurs d'air, et une station de pompage de l'eau.

Chaque canon à neige est équipé de vannes de régulations agissant sur l'air et l'eau. Des automates permettent cette régulation, en fonction de capteurs placés sur les pistes de ski. Ces derniers permettent d'avoir une mesure en temps réel des éléments suivants :

•  Humidité Relative et Température.

•  Anémomètre pour prendre en compte les perturbations météorologiques (vitesse et direction du vent).

Le principe de régulation utilisé par le constructeur YORK est celui-ci :

NOTE :
Les automates YORK mesurent la température et l'humidité relative, mais utilisent la température relative comme grandeur réglante.

Nous avons observé, en discutant avec des snowmakers, que lorsque YORK souhaitait rajouter des vannes pilotées ou des capteurs, aucune modification du réseau câblé n'était nécessaire pour le dialogue automate.

Cela nous a laissé présagé que la technologie utilisée ne pouvait être autre que le bus de données. Cette simplicité d'évolution du réseau dans son ensemble ne pourrait effectivement pas avoir lieu avec des technologies plus triviales comme des boucles 4-20mA par appareil.
YORK nous a récemment confirmé que le bus de données est utilisé.

Chaque capteur et chaque actionneur a une adresse connue de l'automate qui ne cesse de les consulter pour connaître les mesures et agir sur les actionneurs.

Le module de rapatriement des mesures et des commandes de l'automate, placé sous chaque canon à neige au niveau des vannes, permet de convertir les signaux traditionnels (4-20mA, 0-10 Vdc) en signaux exploitables par le bus.

Des abris (regards) placés tous les X mètres de déniveler intègrent des capteurs de température et d'humidité relative.
Les capteurs de température sont de type PT100.
Concernant l'humidité relative, un chapitre est consacré au principe de mesure.

Les boucles de mesures sont de type 4-20 mA ou 0-10Vdc. Comme nous l'avons vu précédemment, ces signaux sont transformés en signaux exploitables par le bus.

Vanne de régulation YORK. Servomoteur motorisé. Un seul servo, donc un eul siège clapet pour les deux voies d'air et d'eau. Nous n'avons pas eu d'information sur le fonctionnement exact de cette vanne. Nous estimons que 2 solutions sont possibles : - Air et eau sont régulés de façon proportionnelle suivant la course du siège clapet - La course du siège clapet ne régule que le débit d'eau, et l'air est ouvert à 100% constamment. Nous présagons que cette seconde solution est la bonne.

Vanne Tout Ou Rien YORK. Vanne utilisée sur les clarinettes utilisées sur les canons à neige RUBIS.

Dans l'élaboration de la neige de culture les facteurs climatiques sont déterminants. Ils sont au nombre de deux :
1. La température.
2. L'Humidité Relative .

Nous traiterons ici de l'aspect le plus méconnu, en l'occurrence de l'humidité relative.

Avant d'aborder cette notion, quelques définitions nécessaires :

AIR SEC
L'air sec est un mélange de gaz contenant principalement de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du gaz carbonique et, en faibles quantités, un certain nombre d'autres gaz (néon, hélium, krypton, hydrogène, etc.). Les proportions de ces différents gaz, tout en variant légèrement en fonction du temps et du lieu, peuvent être considérées en première approximation comme constantes (air de référence).

AIR HUMIDE
L'air humide est un mélange en proportions variables d'air sec et de vapeur d'eau. Il est à noter que la vapeur d'eau est de l'eau à l'état gazeux, la présence d'eau sous forme liquide en suspension (brouillard) n'intervient pas dans la notion d'air humide et n'entre pas dans le cadre de ce document ; la présence d'eau en suspension peut même constituer un élément perturbateur pour les mesures d'humidité.

AIR SATURE
L'air saturé correspond à un air humide, à une température et à une pression données, dont la quantité de vapeur d'eau qu'il contient est telle que toute quantité de vapeur d'eau supplémentaire ne peut apparaître que sous forme liquide ou solide.

Considérons que ce volume d'air a été prélevé au niveau de la mer ( 0 m ) à 20°C , et qu'il contient une masse de vapeur d'eau égale à 4.14 gr de vapeur d'eau (cette valeur est appelée Humidité Absolue). L'humidité relative est mesurée en comparant la masse réelle de la vapeur d'eau à la masse de la vapeur dans l'air saturé à la même température. Par exemple, l'air à 20°C contient 8.28 g/m3 de vapeur d'eau une fois saturée. Si l'air à cette température contient seulement 4,14 g/m3 de vapeur d'eau, alors l'humidité relative est de 50%.

Conclusions : l'humidité relative est une valeur, un ratio exprimé en %, indiquant la proportion de vapeur d'eau à une température donnée que contient l'air par rapport à la quantité maximum que celui-ci pourrait contenir avant saturation.

Il faut un matériau hygroscopique. Un matériau qui puisse absorber et restituer la vapeur d'eau.
L'effet capacitif (pour être plus précis la variation de capacité d'un condensateur) est utilisé par un diélectrique qui est sensible à l'humidité (le diélectrique est d'un polymère hygroscopique). On peut assimiler ce diélectrique à une éponge, si ne n'est que son épaisseur n'est ici que de quelques microns seulement.

Une couche de polymère diélectrique, absorbe les molécules d'eau de l'air ambiant de façon à se mettre en équilibre « humide » avec cet air. Cela provoque une modification de la constante diélectrique de cette couche, d'où une variation de la valeur de la capacité.

Le constructeur YORK utilise la température humide de l'air des pistes de ski pour fabriquer la neige.

Définition :
C'est  une grandeur qui met en relation la température sèche de l'air et le pourcentage d'humidité relative contenu dans l'air. Cette grandeur peut être mesurée avec un psychromètre (thermomètre entouré d'un bulbe humide) ou calculée. Cette seconde méthode est utilisée par YORK.

L'automate a en mémoire la courbe de température humide, et utilise les mesures (en temps réel) de température et d'humidité relative.

Pour trouver la température humide correspondant aux mesures effectuées sur la piste de ski, on projette orthogonalement l'axe des températures séches sur la courbe de saturation. La température humide se lit sur la droite de saturation du diagramme et se déplace suivant une oblique. Elle s'exprime aussi en degrés Celcius.
Abscisses : Température séche.
Ordonnées : Humidité relative.

Photo buse BORAX	Photo buse BORAX en fonctionnement	Schéma vue de face Les gicleurs sont inclinés vers les côtés.	Schéma de coupe Chambre de mélange eau + air.

Nous n'avons pas pu obtenir de schéma en coupe de ce type de buse de la part du constructeur YORK, mais nous présageons, d'après nos observations, que le principe de fonctionnement est le suivant :

Les buses des canons à neige « à induction » (gamme BORAX de la société YORK) sont composées d'une chambre de mélange air + eau débouchant sur deux gicleurs.
Voici les différentes phases de transformation de l'eau en … neige :

La première étape dans la transformation de l'eau en neige est l'atomisation du jet d'eau en fines gouttelettes dont la taille permet la cristallisation en glace dès qu'elles sont projetées dans l'air ambiant à température négative.

Bien entendu plus la taille des gouttes est élevée plus la congélation est difficile, à l'opposé plus les gouttelettes sont fines plus le phénomène est rapide, mais le contrôle de leur dispersion dans l'air sera plus délicat.

Le diamètre  courant de gouttelettes varie de 0,2 à 0,8 mm .

La seconde étape est la transformation des gouttelettes en grains congelés.

L'insémination est la rencontre du flux de nucléation et du flux d'eau principal atomisé.

L'eau pure ne congèle pas naturellement à 0° C, mais plutôt autour de – 8° C à – 12 ° C.

L'insémination occasionne le déclenchement de la congélation en rompant l'état d'équilibre de l'eau en surfusion et permet ainsi de ramener le seuil vers – 2° C humide.

Le résultat obtenu pourra être optimisé selon la turbidité et température de l'eau et éventuellement par l'injection de protéines végétale (Snowmax).

La dispersion des particules dans l'air ambiant froid permet à l'eau de se transformer en glace avant de tomber sur le sol.

La dispersion est obtenue de différentes façons :

•  Détente d'air comprimé,

•  Flux d'air d'un ventilateur,

•  Détente d'eau à forte pression,

•  Combinaison des 3 techniques ci-dessus.

Cette dispersion est nécessaire pour donner le temps à l'introduction de noyaux de nucléation (insémination) et permettre les différents échanges thermiques entre la goutte et l'air ambiant.

Trois éléments sont associés aux gouttelettes d'eau en dessous de 0 °C :

•  la détente de l'air comprimé, ou la propulsion par le courant d'air d'un ventilateur,

•  l'évaporation de gouttes d'eau refroidies,

•  l'induction et la convection dans l'air froid ambiant

Lorsque la gouttelette est projetée dans l'air ambiant, sa partie extérieure s'évapore en utilisant les calories contenues dans l'eau ce qui entraîne un abaissement de la température facilitant ainsi la congélation.

Bien sûr, plus l'air ambiant est sec, plus il y a d'évaporation facilitant la congélation.

L'importance de l'évaporation diminue lorsque la température de l'air extérieur s'abaisse.

Cette étape caractérise l'échange de chaleur par contact entre l'air ambiant et l'eau.

Photo buse RUBIS	Photo buse RUBIS en fonctionnement	Schéma vue de face Les gicleurs sont inclinés vers les côtés.	Schéma de coupe (Nous supposons que le RUBIS est équipé de 4 chambres (3 eau, 1 mélange air+eau). Cette estimation est proche de la réalité.

Nous n'avons pas pu obtenir de schéma en coupe de ce type de buse de la part du constructeur YORK, mais nous présageons, d'après nos observations, que le principe de fonctionnement est le suivant :

Les buses des canons à neige « à nucléation » (gamme RUBIS de la société YORK) sont composées de quatre étages (couronnes) de gicleurs :

•  Couronne 1 : Chambre d'eau

•  Couronne 2 : Chambre air + eau avec forte proportion d'air.

•  Couronne 3 : Chambre d'eau

•  Couronne 4 : Chambre d'eau

La couronne n°2 a une fonction bien particulière : la nucléation. On appellera cette couronne « le nucléateur ». Elle a pour but la création de microbilles de glace qui ensemencent l'eau éjectée par les trois autres couronnes. Elle active donc la congélation. Cette couronne est constamment en fonctionnement lorsque la production de neige est effective.

Les trois autres couronnes sont indépendantes les unes des autres, et sont commandées par l'automate par paliers de température.

La couronne n°1 est la première à fonctionner. Son palier de température est 0°C / -5°C .

La couronne n°3 est la seconde à fonctionner. Son palier de température est -5°C / -10°C .

La couronne n°4 est la troisième à fonctionner. Son palier de température est ? < -10°C .

Comme énoncé précédemment, la couronne de nucléation fonctionne constamment. Les chiffres des paliers de températures sont faux. Ils servent juste d'indication.

Cette étape se situe entre les étapes 1 et 2 du canon à neige à induction. Les autres étapes (3 à 5) sont identiques)

La nucléation est la formation en parallèle de micro-cristaux de glace (noyaux de nucléation) qui serviront à inséminer les gouttelettes d'eau à la sortie de l'enneigeur.

La formation de ces noyaux de nucléation se fait à travers les étapes suivantes :

•  mélange air/eau sous pression avec une très forte proportion en air dans la chambre d'un nucléateur ;

•  expulsion et fragmentation du mélange par un orifice finement calibré du nucléateur ;

•  détente brutale de l'air qui provoque un fort refroidissement ambiant en sortie du nucléateur ;

•  cristallisation immédiate à température négative des particules d'eau formant ainsi des noyaux de nucléation.

Cliquez sur les vannes de ce schéma pour les observer
Représentation d'une installation à canons bi fluides à induction. (gamme BORAX)
Chaque canon a neige est équipé, sous la terre, de boites (regards) permettant d'accéder aux vannes.
Comme énoncé en chapitre 1.1, nous retrouvons ici les réseaux d'air et eau, le bus de données, et les alimentations nécessaires.

Cliquez sur les vannes de ce schéma pour les observer
Représentation d'une installation à canons bi fluides à nucléation. (gamme RUBIS)
La gamme RUBIS a été proposée par YORK en 2002. Afin de transformer les équipements BORAX (qui existaient auparavant) en RUBIS facilement, YORK a conçu une nourrice (clarinette) à placer sur la vanne de régulation. Cette nourrice intègre deux vannes TOR s'ouvrant en fonction des paliers de température programmés dans l'automate. Elles permettent l'alimentation des couronnes.

Un des principes de fonctionnement du canon à neige CYRUS. La buse d'eau est motorisée. La section est donc variable.	Principe de fonctionnement du RUBIS.

Le futur canon à neige SAFYR intégrera des buses à section variable. Les gicleurs seront donc motorisés en tête de perche !

Mise à jour : 17 sept 2006 (Extension 2006 & Saphyr)
Copyright © 2003-2006 Patrick Fagis et Olivier Miclo , Tous droits réservés.