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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Schnee in einer Halle, insbesondere in einer Halle, die für Wintersport
vorgesehen ist, umfassend die Maßnahmen:
Abkühlen der
Halle auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes;
Einspeisen
einer Flüssigkeit,
um in der Halle zu gefrieren und Zerstäuben der Flüssigkeit in der Halle unter
Nutzung eines Gases. Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus dem
amerikanischen Patent 5,102,044.
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In
diesem Patent wird ein Verfahren beschrieben zur Herstellung von
Schnee, wobei eine Mischung von Wasser und Druckluft einer Anzahl
von Sprühdüsen bereitgestellt
wird, in denen das Wasser und die Druckluft offenbar gemischt werden
und das Wasser zerstäubt
wird, so dass es in Form von Tröpfchen
in die Halle gesprüht
wird, wobei die Tröpfchen als
Resultat der niedrigen Temperatur in der Halle gefrieren und in
Form von Schneekristallen ausfallen. Es ist angegeben, dass dieses
Verfahren befriedigende Resultate erzielt mit Luft-/Wasserverhältnissen,
die zwischen 300 und 3000 Nm3/m3 (1
Nm3 = 1 m3 eines
Gases unter normalem Umgebungsdruck und -temperatur) erzielt werden,
spezielle Beispiele sind jedoch nicht angegeben.
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Obwohl
das Verfahren im Vergleich mit anderen bekannten Verfahren der Schneeherstellung,
wobei zum Beispiel die zerstäubte
Flüssigkeit
gefroren wird indem sie in Kontakt mit einem kryogenen Medium wie
Stickstoff in Kontakt gebracht wird, den Vorteil hat, dass die Kosten
relativ niedrig sind, während
zusätzlich
die Gefahren eines Arbeitens mit solch einem kryogenen Fluid in
einem geschlossenen Raum vermieden werden, wird das Verfahren in
der Praxis noch nicht als vollständig
zufriedenstellend erachtet.
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Eine
Zerstäubung
der Flüssigkeit
bei einem Gas-Flüssigkeitsverhältnis in
der Nähe
der unteren in diesem Patent erwähnten
Grenze bei der beschriebenen Temperatur in der Halle ist deshalb
erkannt worden, zu sehr grobem, matschigem Schnee zu führen, wobei
die Energiekosten, um die Halle auf die gewünschte niedrige Temperatur
zu bringen und den in der Praxis relativ hohen erforderlichen Gasdruck zu
erzeugen, sehr hoch sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren des
oben beschriebenen Typs anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese dadurch gelöst, dass
zum Zwecke der Zerstäubung
Gas unter einem Druck von maximal 12 barg (gemessener (Über-)druck,
1 barg = 2 bar absolut) und einem Volumenverhältnis zwischen dem Gas und
der Flüssigkeit
zwischen 165 und 500 Nm3/m3 eingespeist wird. Überraschenderweise wurde
gefunden, dass selbst bei einer Verwendung von Gas, üblicherweise Luft,
bei einem solch verhältnismäßig niedrigem Druck
die Flüssigkeit
noch auf eine effiziente Weise zerstäubt wird und dass selbst bei
relativ niedrigen Gas-Flüssigkeitsverhältnissen
gut zu gebrauchender, im Allgemeinen relativ lockerer Schnee mit
relativ kleinen Kristallen in der Praxis erhalten wird. Die Schneeherstellung
bei derartig niedrigen Drücken
erfordert darüber
hinaus relativ wenig Energie, während
trotzdem eine ausreichende Kapazität erreicht wird.
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Das
Gas wird vorzugsweise mit einem Druck von maximal 8 barg und besonders
bevorzugt mit einem Druck von 6 barg eingespeist, wobei mit geringer
Energie noch genügend
kleine Tröpfchen
gebildet werden und eine ansehnliche Schneeherstellungskapazität erzielt
wird.
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Die
mittlere Größe der zerstäubten Flüssigkeitspartikel
beträgt
bevorzugt maximal 75 μm (SMD),
weiter bevorzugt maximal 55 μm
(SMD) und besonders bevorzugt maximal 35 μm (SMD), wobei SMD den Sauter
Mean Diameter bezeichnet, der als Durchmesser eines Tropfens definiert
ist, der das gleiche Verhältnis
zwischen Oberfläche
und Volumen besitzt, wie es zwischen der Oberfläche aller Tröpfchen zusammen
und dem Volumen aller Tröpfchen besteht.
Solche verhältnismäßig kleinen
Flüssigkeitspartikel
resultieren in verhältnismäßig kleinen Schneekristallen,
die eine gute Schneequalität
gewährleisten.
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Die
Temperatur in der Halle wird vorzugsweise auf weniger als –1°C und besonders
bevorzugt auf weniger als –3°C gesenkt.
Um eine besonders hohe Schneeherstellungskapazität zu erzielen, ist es zweckmäßig, die
Temperatur in der Halle auf weniger als –5°C zu reduzieren. Diese Temperaturreduktion kann
dabei durch Zuführung
kalter Luft in die Halle erfolgen, wobei der Flüssigkeitsnebel vorzugsweise im
Wesentlichen entgegengesetzt der Strömung der kalten Luft in die
Halle eingebracht wird. Dabei wird ein intensiver Kontakt zwischen
dem Flüssigkeitsnebel
und der kalten Luft erreicht, woraus ein schnelles Gefrieren des
Flüssigkeitsnebels
resultiert.
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Der
Flüssigkeitsnebel
ist vorzugsweise gleichmäßig in der
Halle verteilt, sowohl bezogen auf die Hallenfläche als auch auf die Zeit.
Dadurch wird eine Schneelage mit einer gleichmäßigen Dicke in der Halle gebildet,
die daher verhältnismäßig eben ist,
wobei bei einem Auftragen der Schneelage mit der Zeit die maximale
Kühlkapazität, die für die Herstellung
des Schnees erforderlich ist, verhältnismäßig niedrig bleibt. Die Halle
kann dabei in verschiedene Kammern für die Herstellung von Schnee
aufgeteilt werden und Schnee kann jeweils in einer Kammer hergestellt
werden. Auf diese Weise können
in dem Teil der Halle, in dem die Schneeherstellung stattfindet,
die atmosphärischen
Verhältnisse
(insbesondere die Temperatur) optimal eingestellt werden.
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Im
Hinblick auf eine Reduzierung der gesamten Kältekapazität, die für die Schneeherstellung in der
Halle benötigt
wird, findet die Schneeherstellung vorzugsweise in einem Zeitraum
reduzierter Außentemperaturen,
insbesondere nachts, statt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass solch
eine Wintersporthalle üblicherweise
nachts geschlossen wird, wobei keine Wärme durch die Besucher in die
Halle eingeführt
wird. Zusätzlich
werden eine große
Anzahl von Energieverbrauchern wie zum Beispiel Beleuchtung, Lüftsysteme
und dergleichen ausgeschaltet werden, wodurch zusätzliche
Energie für
die Schneeherstellung verfügbar
ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von
Schnee in einer Halle, insbesondere in einer Halle, die für Wintersport
vorgesehen ist, ausgestattet mit Kälteerzeugungsmitteln, um die
Temperatur in der Halle unter den Gefrierpunkt zu bringen, Mitteln
zur Einspeisung einer Flüssigkeit zum
Gefrieren und Mitteln zur Zerstäubung
der Flüssigkeit
in der Halle unter Verwendung eines Gases. Solch eine Vorrichtung
ist ebenfalls bekannt aus dem amerikanischen Patent 5,102,044. Die
Erfindung hat nun zum Ziel, diese Vorrichtung so anzupassen, dass das
vorbeschriebene Verfahren damit durchgeführt werden kann. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Zerstäubungsmittel
mit einer Gasquelle unter einem Druck von maximal 12 barg verbunden
sind und daran angepasst sind, die Flüssigkeit mit einem Gas-Flüssigkeitsverhältnis zwischen 165
und 500 Nm3/m3 zu
zerstäuben,
die Zerstäubungsmittel
wenigstens eine Sprühdüse umfassen, welche
eine Mischkammer aufweist, die von einer halbkreisförmigen Wand
begrenzt ist, in der eine Anzahl von Öffnungen angeordnet ist, und
die einen zentralen Einlass umfasst, der mit den Flüssigkeitseinspeisungsmitteln
und einer Vielzahl von radialen Öffnungen
verbunden ist, welche mit der Gasquelle unter Druck mittels einer
ringförmigen
Kammer verbunden sind. Die Flüssigkeit
und das Gas können
in dieser Sprühdüse gleichzeitig
gemischt und zerstäubt
werden als Resultat des hohen Druckes darin.
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Vorzugsweise
weist die Sprühdüse des Weiteren
mechanische Zerstäubungsmittel,
beispielsweise in der Form einer Prallplattenoberfläche auf, wobei
der Strahl der Flüssigkeit,
der in die Sprühdüse fließt, bereits
in kleine Tröpfchen
aufgeteilt wird, bevor er durch den Gasstrom weiter zerstäubt wird.
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Wenn
die Sprühdüse beweglich
ist, kann die zerstäubte
Flüssigkeit
dadurch in einer gleichmäßigen Verteilung
in der Halle verteilt werden.
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Die
Kälteerzeugungsmittel
sind vorzugsweise eingestellt, einen kalten Luftstrom in die Halle
zu blasen, wobei die Sprühdüse im Wesentlichen
entgegengesetzt der Strömungsrichtung
der kalten Luft gerichtet ist, um einen optimalen Kontakt zwischen
der zerstäubten
Flüssigkeit
und der kalten Luft zu erzielen.
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Vorzugsweise
ist eine Vielzahl abwechselnd betreibbarer Sprühdüsen über die Halle verteilt angeordnet,
wodurch Schnee in der gesamten Halle gleichmäßig und mit verhältnismäßig geringer
Energie hergestellt werden kann. Um ein Aufheizen der Halle in dem
Teil, in dem der Schnee hergestellt wird, so weit wie möglich zu
verhindern, können
entfernbare Unterteilungselemente zwischen den Sprühdüsen in der
Halle angeordnet werden, wodurch lokal eine größere Kältemenge eingespeist werden
kann.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert, wobei
auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird, in der:
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1 eine
schematische perspektivische Sicht auf eine Wintersporthalle mit
einer erfindungsgemäßen Schneeherstellungsvorrichtung
zeigt,
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2 einen
Querschnitt durch eine Sprühdüse zur Verwendung
in der erfindungsgemäßen Schneeherstellungsvorrichtung
zeigt,
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3 ein
Diagramm eines Arbeitsbereiches der Schneeherstellungsvorrichtung
zeigt, und
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4 ein
Diagramm für
den Leistungsbedarf während
einer normalen Nutzung der Halle und während der Schneeherstellung
zeigt.
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Eine
Halle 1 zur Ausübung
von Wintersport, wie beispielsweise Skifahren, Snow-Boarding und dergleichen,
ist ausgestattet mit einem Abhang 2, der in gebräuchlicher
Weise eine leicht stufenförmige Form
aufweist. Um eine niedrige Temperatur in der Halle 1 aufrechtzuerhalten,
sind zwei Kältemaschinen 3 vorhanden,
die auf jeder Seite der Halle 1 angeordnet sind, wobei
jede dieser Kältemaschinen
gemäß Pfeil
I Luft einsaugt und nachdem diese unter den Gefrierpunkt gekühlt wurde, über ein
Rohr 4, welches vom Dach 5 der Halle 1 abgehängt ist
und eine Anzahl von Ausblasöffnungen 6 aufweist,
die in Längsrichtung
verteilt angeordnet sind, in der Halle 1 verteilt. Die
kalte Luft fließt
dabei gemäß den Pfeilen C
zunächst
in die Halle und ist schließlich
durch Ventilatoren 11 auf einer der kurzen Seiten 7 der
Halle 1 extrahiert, wobei ein Kaltluftstrom in Längsrichtung der
Halle 1 aufgebaut wird. Die extrahierte Kaltluft wird durch
die Ventilatoren wieder den zugehörigen Kältemaschinen 3 zugeführt und
dort abermals auf die gewünschte
Temperatur gekühlt.
Es ist ansonsten offensichtlich, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung
auch in Verbindung mit anderen Anordnungen von Ausblas- und Extraktionsöffnungen
angewendet werden kann. Beispielsweise könnten die Ausblasöffnungen
an der kurzen Seite der Halle und die Extraktion zentral in der
Halle stattfinden. Auf diese Weise würde beispielsweise auch ein
Luftstrom in Längsrichtung
der Halle erzeugt.
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Zur
Herstellung von Schnee in der Halle 1 sind an deren Längsseiten 8 Sprühdüsen 9 angeordnet.
In der gezeigten Ausgestaltung sind diese Sprühdüsen 9 beweglich sowohl
vertikal als auch in horizontaler Richtung gemäß den Pfeilen V und H angeordnet,
um ein gleichmäßiges Sprühmuster
zu erzielen. Die Sprühdüsen 9 sind
jeweils mit jeweils einem Flüssigkeitsversorgungsrohr
und einer Quelle für
Gas unter Druck, üblicherweise
Druckluft (hier nicht gezeigt) verbunden. In den Sprühdüsen 9 wird die
bereitgestellte Flüssigkeit, üblicherweise
Wasser, unter dem Einfluss der komprimierten Luft und der inneren
Form der Sprühdüse 9 zerstäubt, wonach
die zerstäubte
Flüssigkeit
in Form eines Kegels 10 in die Halle 1 gesprüht wird.
Dort gefrieren die Flüssigkeitspartikel
als Resultat der niedrigen Temperatur und fallen in Form von Schneekristallen
herab.
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Um
eine Herstellung von Schnee lediglich in bestimmten Teilen der Halle 1 zu
ermöglichen,
sind entfernbare Unterteilungen, beispielsweise in Form von Trennvorhängen 31,
an verschiedenen Orten in der Halle 1 angeordnet. Halle 1 kann
dadurch in verschiedene Kammern 12 unterteilt werden und Schnee
kann zu einer Zeit jeweils in einer Kammer hergestellt werden. Dies
ist wichtig, weil bei der Herstellung von Schnee die Kristallisationswärme von den
Nebeltröpfchen
frei wird. Dadurch steigt die Temperatur in der entsprechenden Kammer 12.
Wenn nun alle außerhalb
der entsprechenden Kammer 12 gelegenen Ausblasöffnungen 6 geschlossen
werden, kann die gesamte kalte Luft in der Kammer konzentriert werden,
in welcher der Schnee hergestellt wird, wodurch eine Erwärmung dieser
Kammer verhindert wird. Insbesondere wenn die Außentemperaturen verhältnismäßig hoch
sind, wie dies beispielsweise im Sommer der Fall ist, ist dies besonders
effektiv.
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Die
Sprühdüse 9 kann
durch ein Gehäuse 13 gebildet
werden, welches eine Verbindung 14 für ein Flüssigkeitsversorgungsrohr L
zusätzlich
zu einer Verbindung 15 für ein Luftversorgungsrohr A
aufweist. Beide Verbindungen 14, 15 sind mit einer Mischkammer 16 über einem
Durchlass 17 bzw. eine ringförmige Kammer 18 mit
radialen Öffnungen 19 verbunden.
In dieser Mischkammer 16 wird die Flüssigkeit L zerstäubt und darauf
folgend durch eine Anzahl von Öffnungen 22 in
der Wand der Sprühdüse 9 ausgesprüht in Form
eines Nebels mit sehr feinen Tröpfchen
mit homogener Größenverteilung.
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Da
die erfindungsgemäße Vorrichtung
wie vorstehend beschrieben eine extrem einfache Konstruktion aufweist,
ist sie sehr geeignet für
eine spätere
Integration in bestehende Wintersporthallen, beispielsweise als
Ersatz für
eine Schneeherstellungsvorrichtung auf Basis von Stickstoff. Dabei
können bezüglich der
verwendeten Rohmaterialien große Einsparungen
erzielt werden, weil Stickstoff als Kältemittel für die Herstellung von Schnee
nicht sehr effizient verwendet werden kann und daher verhältnismäßig kostspielig
ist. Dies ist ein Resultat der Tatsache, dass bei der Herstellung
von Schnee eine Verdampfungstemperatur in der Größenordnung von –10°C verwendet
wird, wohingegen der verwendete Stickstoff in der flüssigen Form
eine Temperatur von ungefähr –200°C haben wird.
Zusätzlich
werden die Arbeitsbedingungen in der Halle durch den Austausch von
Stickstoff durch Druckluft während
der Schneeherstellung wesentlich verbessert.
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Wie
erwähnt
findet die Herstellung von Schnee vorzugsweise statt, wenn die Außentemperaturen
verhältnismäßig niedrig
sind, demzufolge üblicherweise
nachts. Wie aus der 4 ersichtlich ist, ist die Leistung,
die erforderlich ist, um die Temperatur in der Halle bei einem gewünschten
Wert aufrechtzuerhalten (Fläche 28)
wesentlich niedriger als tagsüber
(Fläche 25).
Der Leistungsüberschuss 21 der
Kältemaschine,
die ohnehin für
einen tagsüber anfallenden
Leistungsbedarf dimensioniert ist, kann dann zur Schneeherstellung
verwendet werden. Hiermit muss zur Schneeherstellung keine zusätzliche
Kühlungskapazität installiert
werden. Die nächtliche
Schneeherstellung hat den zusätzlichen
Vorteil, dass zu dieser Zeit andere Energieverbraucher, wie beispielsweise
Beleuchtung und Skilifte (Fläche 26) gleichermaßen wie
die elektrische Versorgung der für zweite
Arbeitsflächen,
wie beispielsweise Gastronomieeinrichtungen, auch ausgeschaltet
werden, so dass die Gesamtleistung, die von der gesamten Installation
aus dem Stromnetz entnommen wird, zu dieser Zeit ebenfalls niedriger
sein wird. Dieser Leistungsüberschuss 20 kann
dann ebenfalls zur Schneeherstellung verwendet werden, ohne dass dies
zu zusätzlichen
Lastspitzen im Netz und den damit verbundenen Kosten für den Benutzer
führt.
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Die
nachstehenden Beispiele zeigen einige Arbeitspunkte einer Schneeherstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
welche zeigen, wie relativ große
Mengen hochqualitativen Schnees bei verhältnismäßig niedrigen Drücken und
kleinen Mengen von Luft hergestellt werden können.
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BEISPIEL 1
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Als
Ausgangspunkt wird Luft bei einer Temperatur von 24°C und einem
Druck von 7,5 barg verwendet. Die komprimierte Luft wird einer Sprühdüse 9 zugeführt und
dazu verwendet, das Wasser, welches bei einer Temperatur von 12°C bereitgestellt wird,
zu zerstäuben.
Das Luft-/Wasserverhältnis
ist auf 600 Nm3/m3 festgesetzt.
Die Temperatur in Halle 1 beträgt –4,5°C. Unter diesen Bedingungen
wird Nebel mit einer mittleren Tröpfchengröße von 30 μm (SMD) hergestellt. Wenn dieser
Nebel gefriert, werden Schneekristalle gebildet, die als "Puderschnee" bezeichnet werden
können,
welcher sehr geeignet als obere Schicht ist.
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BEISPIEL 2
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Als
Ausgangspunkt wird hier die gleiche Lufttemperatur von 24°C aber unter
einem Druck von 7,0 barg verwendet. Die komprimierte Luft wird wiederum der
Sprühdüse 9 zugeführt und
verwendet, um das Wasser, welches bei einer Temperatur von 14°C eingespeist
wird, zu zerstäuben.
Das Luft-/Wasserverhältnis
wird nun auf einen Wert von 250 Nm3/m3 eingestellt. Die Temperatur in Halle 1 beträgt –2°C. Unter
diesen Bedingungen wird ein Nebel gebildet mit einer mittleren Tröpfchengröße von 50 μm (SMD), der,
wenn er gefroren ist, Schneekristalle bildet, die als "Kompaktschnee" bezeichnet werden
können. Dieser
Schneetyp ist sehr geeignet, als obere Lage zu dienen.
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BEISPIEL 3
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In
diesem Beispiel wird Luft bei einer Temperatur von 26°C und einem
Druck von 6,4 barg einer Sprühdüse 9 zugeführt und
verwendet, um das Wasser, welches wiederum bei einer Temperatur
von 14°C
eingespeist wird, zu zerstäuben.
Das Luft-/Wasserverhältnis
wird hierbei auf einen Wert von 140 Nm3/m3 eingestellt. Die Temperatur in Halle 1 ist
auf –3°C reduziert.
Es wird ein Nebel mit einer mittleren Tröpfchengröße von 65 μm (SMD) gebildet, der, wenn
er gefroren ist, Schneekristalle bildet, die als "Matschschnee" bezeichnet werden
können.
Dieser Schnee ist geeignet, als untere Lage zu dienen und wird daher
speziell zu Beginn eines Schneeherstellungszyklus hergestellt, um
in einer relativ kurzen Zeit eine so dicke Lage wie möglich zu
verteilen.
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Die
oben beschriebenen Messpunkte sind im Diagramm der 3 dargestellt,
welche deutlich zeigen, dass die "Lockerheit" des Schnees, welche natürlich eng
mit der mittleren Größe der zerstäubten Tröpfchen zusammenhängt, steigt,
wenn das Gas-/Flüssigkeitsverhältnis steigt
und die Temperatur fällt.
Die schraffierten Flächen 23 und 24 repräsentieren
darin solche Kombinationen von Parametern, mit denen Puderschnee
bzw. kompakter Schnee erhalten wird, wohingegen die Werte der übrigen Parameter
in der Fläche
auf der linken Seite und oberhalb Linie 29 mit der Herstellung
von Matschschnee korrespondieren.
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Obgleich
die Erfindung mit Bezug auf eine Reihe von Ausgestaltungen erläutert wurde,
ist es für einen
Fachmann offensichtlich, dass sie nicht darauf beschränkt ist.
Der Umfang der Erfindung ist daher ausschließlich durch die folgenden Ansprüche bestimmt.