DE2505483C2

DE2505483C2 - Vorrichtung zur Schneeerzeugung

Info

Publication number: DE2505483C2
Application number: DE2505483A
Authority: DE
Inventors: Samuel L. Memphis Tenn. Burns jun.
Original assignee: BURNS SAMUEL JUN
Current assignee: BURNS SAMUEL JUN
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1975-02-10
Publication date: 1985-08-14
Also published as: CA1009857A; JPS50114652A; FR2260763A1; AU7795675A; DE2505483A1; FR2260763B1; JPS5911835B2; US3908903A

Description

dert oder gesteigert werden können, um den genauen Druck des Wassers, welches durch Leitung 18 zugeführt wird, sowie der Luft oder eines anderen Gases, welches durch Leitung 20 zugeführt wird, im Sinne maximaler Wirtschaftlichkeit unter variierenden Bedingungen zu regulieren.

Die Vorrichtung zur Schneeerzeugung besteht im wesentlichen aus einer äuberen, hohlen, ringförmigen Kammer 24, v. ücher Wasser mit einer Temperatur zugeführt wird, die möglichst nahe bei 0⁰C liegt Das Wasser strömt aus der Kammer 24 durch eine Anzahl von Kanäien hindurch zur Austrittsdüse 26. Die Kanäle erstrecken sich von der äußeren ringförmigen Kammer 24 aus zu einer zentralen Region hin unter einem Winkel mit dem Radius, wie dies am besten in F i g. 4 gezeigt ist Dadurch wird dem Wasser ohne das Erfordernis beweglicher Teile eine Drallwirkung erteilt. Das Wasser wird dann durch die Austrittsdüse 26 hindurchgedrückt und zwar in der Form eines wirbelnden Flüssigkeitsstrahls mit hohlem Kern. Wenn der hohle Wasserstrahl in die umgebende Luft tritt, werden Stoßweiien erzeugt und diese zersprengen den dünnen zylindrischen Flüssigkeitsmantel an biw. nahe der Stirnseite der Austrittsdüse zu Tröpfchen.

Eine hohlkegelförmige Sprühung bezeichnet man üblicherweise als eine Sprühung, in welcher die meisten Tröpfchen am äußeren Rand des konischen Verlaufs konzentriert sind. Der Verlauf ist in bezug auf die Düsenachse symmetrisch und besitzt einen exakt begrenzten Sprühwinkel. Solche Einrichtungen besitzen Sprühwinkel, welche zwischen 45° und 90° variieren, je nach der Gestaltung der Düse und der Steuerflächen sowie nach dem Wasserdruck und der Strömungsgeschwindigkeit Zum Zwecke der Schneeerzeugung werden bevorzugt größere Winkel angewendet, da hierdurch eine feinere und einheitlichere Sprühung erzeugt wird, obgleich auch mit Düsen kleinerer Sprühwinkel Schnee erzeugt werden kann.

Die hohlkegelige hydraulische Zerstäubungssprüheinrichtung enthält eine Leitung 30 in Form eines Rohres, z. B. aus Metall, dessen eines Ende mit der Druckluftquelle 12 verbunden ist und dessen anderes Ende 32 in der Nähe der Austrittsdüse 26 endet. Die Leitung 30 sollte mit der Achse der Austrittsdüse 26 axial ausgerichtet sein und einen Durchmesser besitzen, welcher in bezug auf eier. Durchmesser der Austrittsdüse 26 hinreichend groß ist, daß die Luftstrombegrenzung durch die ringförmige Schicht wirbeinden Wassers herbeigeführt wird. Die wirbelnde innere Oberfläche des hohlen Wasserkerns ist eine Gas-Wasser-Grenzfläche, die den Gasstrom durch die Düse hindurch eingrenzt, wodurch das Gas in dem konvergierenden Abschnitt des hohlen Kerns auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Beim Ausdehnen des Gases nach vorwärts längs der Achse der Austrittsdüse wird ein Gasstrom niedriger Temperatur erzeugt. Von der Grenzfläche der wirbelnden Wassermasse in der Austrittsdüse 26 wird genügend Wasser abgestreift bzw. abgezogen und mit Partikeln kombiniert, welche in den Zentralteil des hohlkernigen Wasserstrahles hineingezogen worden sind, wodurch sich die Feuchtigkeit bildet, welche zur Erzeugung von Eiskernen erforderlich ist. Durch die Entspannung des Gases in der Austrittsdüse sinkt die Temperatur unter den Wert ab, der zur Bildung von Eiskernen erforderlich ist. Demgemäß krisirJIisieren Wasserpartikel unter Bildung von Eiskernen, wenn der Gasstrom durch die hohle Mitte des Wasserstrahliis hindurchgeht. Es ist bekannt, daß Kernbildung beim Kühlen unterhalb von 0,5°C auftritt wenn wachsende Eiskristalle in frierender Umgebungsluft, welche unterkühlte Wassertröpfchen enthält, anwesend sind. Es wird angenommen, daß diese Erscheinung, welche als isomorphe Kernbildung bekannt ist, durch das Abschuppen von Dendriten verursacht wird, welche auf der Oberfläche der Stammkristalle wachsen. Es ist ferner bekannt, daß die Bildung von Eiskernen durch isomorphe Kernbildung mit der Bewegung zunimmt. Daher findet Forsetzung der Eiskernbildung und des Wachstums in dem turbulenten, sich ausdehnenden Strahl feuchter, komprimierter Luft nach dem Austreten aus der Düse statt, wobei alle erforderlichen Bedingungen zur Kernbildung vorhanden sind.

Mit der Zeit sind die Wassertröpfchen im Sprühveriauf etliche Dezimeter über die Austrittsdüse 26 hinaus in die Atmosphäre abgezogen, die Wassertröpfchen haben sich durch Verdampfung eines Teiles des Tröpfchens auf unterhalb 0°C abgekühlt, Eiskerne haben sich in der Mitte der Sprühung in große'· Mengen gebildet, und das Vermischen der Eiskerne mit dr r Wassersprühung veranlaßt die Tröpfchen, zu schneeartigen Partikeln zu kristallisieren. Um Schnee befriedigender Qualität zu erzeugen, müssen die Tröpfchen in der unter 0°C liegend'n Umgebungsluft eine hinreichende Zeit suspendiert bleiben, damit das Tröpfchen vollständig bzw. nahezu vollständig gefrieren kann. . Die Schneeerzeugungseinrichtung 22 (F i g. 2 und 3) weist ein Gehäuse 40 hexagonaler Außenfläche und einem rückwärtigen Gewindeteil 42 auf. Der Vorder- oder Nasenteil enthält die Austrittsdüse 26 mit einem zylindrischen Abschnitt 44 und einem rückwärtigen verjüngten konischen Abschnitt 46. Das innere Ende des Abschnitts 46 steht mit einer zentralen zylindrischen öffnung in Verbindung, weiche durch Wandung 48 begrenzt ist, die die Außenwand der Kammer 24 bildet Am rückwärtigen Teil der Wandung 48 ist ein Innengewinde 50 vorgesehen, in welches das Außengewinde eines Schraubenstiftes 52 eingeschraubt ist. Der Schraubenstift 52 besitzt eine zentrale Durchbohrung, welche durch eine zylindrische Wand 54 begrenzt ist und er ist an seinem vorderen Ende offen. Die Außenwand 56 dient als Innenwandungsteil der ringförmigen Kammer 24. Die Kammer 24 steht mit der inneren Bohrung des Schraubenstiftes 52 über eine Anzahl Öffnungen 58 in Verbindung. Das rückwärtige Ende des Schraubenstiftes 52 ist an eine Rohrleitung angeschlossen, welche Wasser von der Leitung 18 und der Druckwasserquelie 10(F ig. 1) zuführt.

Zur Erzeugung der gewünschten Wassersprühung ist ein Wasserverteiler 60 vorgesehen, welcher an seinen* hinteren Teil einen Vorsprung 62 aufweist und sich in dh B.mung des Schraubenstiftes 52 hinein erstreckt. Die vordere Stirnseite 64 des Wasserverteilers 60 drückt durch das Spannen des Schraubenstif'es 52 gegen die Rückseite der Stirnwand des Gehäuses 40, die den Wasserkanal 28 begrenzt.

Die vordere Srrnseite des Wasserverteilers 60 weist eine Anzahl Kanäle auf, die aus U-förmigen Rillen bestehen, deren Seitenwande 66 die Bohrung 67 tangieren und deren Seitenwände 70 im wesentliche^ parallel zu den Seitenwänden 66 verlaufen (F i g. 4). Der Wasserverteiler 60 besitzt einen Aufbau, welcher vom Düsenhersteller geliefert wkd und welche eine hohle, konische Sprühung herbeiführt. Die Aüstrittsdüse 26 kann einen Durchmesser im Bereich zwischen 1,397 mm und 3,810 mm aufweisen und eignet sich für Drücke bis zu etwa 35 bar. Zur Schneeerzeueune werden Drücke zwi-

sehen 8 bar und 15 bar empfohlen, wobei der Optimaldruck von der Größe der Düse abhängig ist. Als allgemeine Regel gilt: Je größer die Düse, umso höher der Druck, welcher erforderlich ist, um Tröpfchen innerhalb des richtigen Größenbereichs zu erzeugen.

Zum Einführen der Luft in die Austrittsdüse 26 ist in den Wasserverteiler 60 eine zentrale Bohrung 67 eingebohrt, deren Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser des zylindrischen Wandungsteiles 44 der Austrittsdüse 26 ist. Eine Leitung 30 aus einem Material wie Kupfer ist in die zentrale Bohrung des Wasserverteilers 60 schrumpfeingepaßt, so daß eine Verbindung gewährleistet ist

Das Rückende der Leitung 30 ist mit der Druckgasquelle verbunden. Das Vorderende 32 der Leitung 30 befindet sich vorzugsweise an einem Punkt, wo die Wandung der Leitung 30 die hydraulische Wirkung des Wasserstromes durch die Düse hindurch nicht beein- *r°ch'i^<i'L

In der Zentralregion längs der Achse der hohlen konisehen Wassersprühung wird ein Strom aus Luft hoher Geschwindigkeit erzeugt, welcher genügend Wasserpartikel trägt, um Eiskerne innerhalb einer konischen Region zu bilden, welche Grenzen der Größenordnung von 15° bis 20° besitzt (Fig. 1). Die Bedingungen im Mittelbereich der Sprühung führen zum Eiskernwachstum. Mit dem Wachsen der Eiskerne zu wirksamer Größe und Menge, werden die Wasserpartikel in der Wassersprühung gleichzeitig unterkühlt, d. h. auf eine Temperatur unterhalb 0°C abgekühlt und zwar durch Verdampfen eines Teils des Tröpfchens in die umgebende Atmosphäre unter Bedingungen, wo Schneebildung möglich ist. Die Sprühtröpfchen, weichen infolge der Drallwirkung längs der Wandungen 44 der Austrittsdüse 26 eine Drehgeschwindigkeit erteilt worden ist, vermischen sich mit den wachsenden Eiskernen in dem turbulenten, sich ausdehnenden Luftstrom, welcher die Wasserpartikel in der Wassersprühung mitreißt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 Eiskerne entstehen. Der Druckluftverbrauch ist sehr Patentansprüche: hoch. Schließlich ist eine Vorrichtung zum Besprühen emp-

1. Vorrichtung zur Schneeerzeugung mit einer an findlicher Gegenstände und Oberflächen bekannt (US-eine Druckwasserquelle (10) angeschlossenen Zer- 5 PS 31 63 362), mit der ein feiner Sprühnebel erzeugt stäubungsvorrichtung, die einen Wasserverteiler werden kann. Vor einer Austrittsdüse ist eine Misch-(60) zur Drallerzeugung, eine nach dem Wasserver- kammer angeordnet, in die eine Druckluftleitung sowie teiler (60) angeordnete Austrittsdüse (26) zur Erzeu- unter spitzem Winkel hierzu mehrere Wasserkanäle gung eines Sprühnebelkegels und eine an eine einmünden. In der Mischkammer wird das Wtjser ver-Druckgasquelle (12) angeschlossene Leitung (30) io wirbelt Die Drücke von Wasser und Luft sind gleich, zum Einführen von Druckgas in den Sprühkegel auf- Durch die Austrittsdüse hindurch wird das Gemisch in weist, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eines feinen Sprühnebels versprüht Das Prinzip Zerstäubungsvorrichtung eine an die Druckwasser- dieser Vorrichtung basiert darauf, Druckluft und Flüsquelle (10) angeschlossene ringförmige Kammer (24) sigkeit intensiv zu mischen, um eine Feinstzerstäubung aufweist, daß die Leitung (30) für die Druckgaszu- 15 zu erzielen. Flüssigkeitskristalle entstehen dabei nicht.

fuhr koaxial zu der ringförmigen Kammer (24) durch Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor-

den Wasserverteiler (60) hindurchführt, daß die Aus- richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1

trittsdüse (26) im Abstand von den vorderen Enden dahingehend weiterzubilden, daß durch Schaffung einer

des Wasserverteilers (60) und der Leitung (30) für die definierten Zone für die Bildung von Kristallisationsker-

Druckgas!"ifuhr angeordnet ist, und daß der Liefer- 20 nen eine sichere Funktion gewährleistet ist und darüber

druck des JDruckgasquelle (12) niedriger ist als der hinaus der Druckgasverbrauch verringert wird.

Lieferdruck der Druckwasserquelle (10). Die Lösung dieser Aufgabe erfolgünit den Merkma-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- len des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1. zeichnet, daß der Lieferdruck der Druckwasserquel- Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen zur Ie (10) das drei- bis fünffache des Lieferdruckes der 25 Schneeerzeugung wird nach der Erfindung die kineti-Druckgasquelle (12) beträgt sehe Energie zur Zerstäubung des Wassers und zur Er-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeugung der aus d^r Austrittsdüse austretenden Waszeichnet, daß der Wasserdruck ca. 11,5 bar und der sertröpfchen ganz überwiegend vom Wasserdruck aufGasdruck etwa 4,5 bar beträgt gebracht Die Funktion der Druckluft besteht darin, im

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 30 Zentrum des Sprühkegels eine Zone zur Ausbildung der dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (30) über Kristallisationskerne zu schaffen. Da der Wasserdruck das austrittsseitige Ende des Wasserverteilers (60) in wesentlich größer ist als der Gasdruck, mischt sich das Richtung auf die Ausi. ittsdüs=, (26) vorsteht Gas (die Luft) in einer definierten Zone mit dem Wasser,

wobei Kristallisationskerne erzeugt werden. Dieser

35 Kernbildungsprozeß erfolgt unterschiedlich von der

Versprühung des übrigen Wassers. Die Folge hiervon ist, daß sich im Innern des Sprühkegels eine Zone der

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Eiskernbildung ausbildet, während die Wassertröpfchen

Oberbegriff des Patentanspruchs 1. diese Zone umgeben. Am Ende d<?s Sprühkegels ent-

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-GM 40 steht infolge der zunehmenden Verteilung und Vermi-

IiI 74 056) wird Wasser in einem Dralleinsatz verwirbelt, schung schließlich Schnee. Es wkci ein Sprühkegel er-

unn anschließend an einer Austrittsdüse zerstäubt zu zeugt, in dessen Mitte durch »sanftes« Einblasen von

werden. Der Dralleinsatz ragt bis in die Austrittsdüse Druckluft eine Kernbildungszone entsteht,

f hinein und er wird von einem Druckluftstrom umströmt, Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeich-

dcr das austretende Wasser mitreißt. Der Druck des 45 nungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher

Wassers liegt unter demjenigen der Luft. Es wird ein erläutert. Es zeigt

kegelförmiger Luftstrom erzeugt, der eine größere F i g. 1 eine schematische Darstellung der Vorrieh-

Strömungsgeschwindigkeit hat als der Sprühstrom des tung zur Schneeerzeugung.

Wassers und der diesen Sprühstrom unter spitzem Win- F i g. 2 einen Schnitt des Vorderendes der in F i g. 1

kel schneidet. Der Sprühstrom des Wassers und der :« gezeigten Düsenvorrichtung,

Luftstrom treten aus unterschiedlichen koaxialen Düsen F i g. 3 eine Vorderansicht der Düsenvorrichtung und aus und werden erst anschließend vermischt. Die be- Fig.4 eine Vorderansicht der Vorrichtung, die dem kannte Schneeerzeugungsvorrichtung benötigt große Wasser eine Drehbewegung verleiht, damit der Hohl-Druckluftmengen. Die Betriebsweise ist kritisch, weil kern im Wasserstrahl und daher die hohlkegelförmige die beiden Strömungen sich gegenseitig schneiden und 55 Sprühung entsteht, wenn das Wasser durch die Ausverwirbeln. Wenn beim Sprühen nicht genügend Kri- trittsdüse hindurchgeht

siallisationskerne gebildet werden, schlägt sich der Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung zur Schneeer-Sprühnebel als Wasser nieder, das anschließend gefriert, zeugung weist eine Druckwasserquelle 10 und eine Eine andere bekannte Vorrichtung zur Herstellung Druckgasquelle 12. z. B. als Druckluftquelle, auf. Der von Schnee (DE-GM 19 37 338) arbeitet nach dem Ven- 60 Wasserdruck liegt in der Größenordnung von 11J bar turi-Prinzip. Dabei wird das einer Venturi-Düse axial ,₃und der Luftdruck bei etwa 4,5 bar, bei relativen Förder- -•zügeführte Wasser von einemLuftstrom, der der Ventu- 'mengen von etwa 28,3 Liter Luft je Minute oder wcniri-Düse seitlich zugeführt wird, mitgerissen und zer- ger für je 3,8 Liter Wasser je Minute. Die Fähigkeit, stäubt. In einem anschließenden Mischkanal erfolgt eine wirksam Schnee zu erzeugen, hängt von der Wasscr-Durchmischung von Wasser und Luft, so daß der Sprüh- 65 temperatur und den atmosphärischen Bedingungen ab. kegel, der aus der Vorrichtung austritt, weitgehend ho- Die Druckquellen können daher auch etwas höher sein . mögen ist. In dem Sprühkegel bildet sich keine von Was- als oben angegeben, damit sie durch Einstellung der sertröpfchen umgebene Kernbildungszone aus in der Druckausrüstung oder durch Ventile 14 und 16 vermin-