FR2656860A1 - Process and plant for the production of crystalline water seeds, for example for the manufacture of artificial snow - Google Patents

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Abstract

Process for producing crystalline water seeds or nucleation seeds, from sprayed water, characterised in that these crystalline water seeds are obtained by means of ultrasonic sprayers (1-2) operating by atomising water using ultrasound, the water treated by the ultrasonic sprayers (1-2) being cooled beforehand, for example in an exchanger (3-4), before passing into the said sprayers, while the jet of particles produced by the latter is controlled or corrected by a carrier gas (6) which can itself be cooled before passing into the said ultrasonic sprayers (1). The invention also relates to a plant for the implementation of this process, for example for the manufacture of artificial snow, and according to which the ultrasonic sprayers (1) are placed in a casing (10) through which runs a powerful stream of air created by a ventilation system (17), for example consisting of one or more helical or centrifugal fans placed at the rear of the said casing (10).

Description

Procédé et installation pour la production de germes d'eau cristallisée, par exemple pour la fabrication de neige artificielle.Process and installation for the production of germs of crystallized water, for example for the manufacture of artificial snow.

La présente invention concerne un procédé de fabrication de germes d'eau cristallisée à partir d'eau pulvérisée. Elle vise également une installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé. The present invention relates to a process for the production of seeds of crystallized water from water spray. It also relates to an installation allowing the implementation of this process.

Un tel procédé peut, par exemple, être avantageusement utilisé dans une machine destinée à produire de la neige artificielle, pour rompre La surfusion des gouttelettes d'eau qui servent à fabriquer cette dernière. Mais cette application très intéressante n'est pas limitative ;
L'invention pouvant aussi intéresser des procédés, essais ou manipulations où l'on recherche L'obtention de particules d'eau cristallisée pour reproduire, par exemple, des givrages artificiels : essais de turbines, de lignes électriques extérieures, etc.Such a process can, for example, be advantageously used in a machine intended to produce artificial snow, to break the supercooling of the water droplets which are used to make the latter. But this very interesting application is not limiting;
The invention may also be of interest to processes, tests or manipulations in which it is sought. Obtaining particles of crystallized water to reproduce, for example, artificial icings: tests of turbines, external electric lines, etc.

L'eau, comme de nombreux corps (teLs que, par exemple, l'hyposuLfite de sodium, le phosphore blanc, la glycérine,...), est concernée par la surfusion qui se caractérise par La conservation de L'état liquide à une température inférieure au point de congélation. Water, like many bodies (such as, for example, sodium hyposulfite, white phosphorus, glycerin, ...), is affected by supercooling which is characterized by the preservation of the liquid state at a temperature below the freezing point.

Pour rompre la surfusion, il suffit d'amener un élément, aussi petit soit-il, du corps concerné, à une répartition des atomes correspondant à son réseau cristallin. Les météorologistes savent bien que le démarrage de la congélation d'une partie seulement des particules d'eau qui constituent les nuages est obtenu à partir de substances normalement présentes dans l'atmosphère : sables, poussières, sel, spores, etc. Mais si l'on veut accélérer La nucléation, il faut utiliser l'effet d'épitaxie, à savoir : des substances différentes qui présentent des analogies étroites dans l'arrangement de leurs atomes et plus précisément dans la réparti on des noeuds de leur réseau cristallin, ont tendance, dans leur face commune, à engendrer un phénomène d'orientation mutuelle des cristaux. To break the supercooling, it suffices to bring an element, however small, of the body concerned, to a distribution of the atoms corresponding to its crystal lattice. Meteorologists are well aware that the start of freezing only part of the water particles that make up the clouds is obtained from substances normally present in the atmosphere: sands, dust, salt, spores, etc. But if we want to accelerate nucleation, we must use the epitaxy effect, namely: different substances which present close analogies in the arrangement of their atoms and more precisely in the distribution of the nodes of their network crystalline, tend, in their common face, to generate a phenomenon of mutual orientation of the crystals.

Si donc une substance cristalline a une répartion de ses noeuds voisine de L'eau solide, mise en présence d'eau surfondue, elle va avoir tendance à orienter les atomes de celle-ci aux interfaces et donc à "amorcer" la mise en phase du système cristalin de L'eau, même si son propre système est différent. If therefore a crystalline substance has a distribution of its nodes close to Solid water, put in the presence of supercooled water, it will tend to orient the atoms of this at the interfaces and therefore to "initiate" the phasing of the crystal system of Water, even if its own system is different.

Ainsi, L'ioduré d'argent (AgI) a une distance réticulaire de 4,580 A, alors qu'elle est de 4,503 A pour la glace. Plus la substance se rapprochera de L'eau, y compris d'ailleurs au niveau de son système de cristallisation, plus la rupture de la surfusion sera rapide et rapprochera le point de congélation du point de fusion, même pour des gouttelettes très petites où les tensions internes favorisent cet état (pouvant aller jusqu'à abaisser le point de congélation lui-même). Thus, the silver iodide (AgI) has a reticular distance of 4.580 A, whereas it is 4.50 A for ice. The closer the substance is to water, including its crystallization system, the faster the break in the supercooling and the closer the freezing point to the melting point, even for very small droplets where internal tensions favor this state (which can go as far as lowering the freezing point itself).

Il est évident que "l'image" la plus parfaite que l'eau Liquide, en état de surfusion, puisse rencontrer, est un élément d'eau solide quelle qu'en soit la taille. It is obvious that the most perfect "image" that Liquid water, in a supercooled state, can meet, is a solid water element whatever its size.

On sait que La solidification est immédiate, pour l'ensemble du volume d'eau en présence, si le bilan thermique de la transformation peut être respecté. It is known that solidification is immediate, for the entire volume of water present, if the thermal balance of the transformation can be respected.

Dans certains cas où l'on a en particulier affaire à des particules très petites et où l'on souhaite "casser" la surfusion Le plus près possible du point de congélation, seule la nucléation avec des "germes" d'eau cristallisée est efficace. In certain cases where we are dealing in particular with very small particles and where we wish to "break" the supercooling As close as possible to the freezing point, only nucleation with "seeds" of crystallized water is effective .

La présente invention a pour but de proposer un procédé d'obtention de particules d'eau cristallisée y compris de très petites tailles, qui peuvent être utilisées directement ou comme germes de nucléation primaire, par exemple pour la mise en oeuvre de machines pour la fabrication de neige artificielle. The object of the present invention is to propose a process for obtaining particles of crystallized water, including very small ones, which can be used directly or as primary nucleation seeds, for example for the use of machines for manufacturing. artificial snow.

Selon le procédé de L'invention, les germes d'eau cristallisée ou germes de nucléation sont obtenus au moyen de pulvérisateurs fonctionnant par atomisation d'eau à
L'aide d'ultrasons, et par la mise en oeuvre de moyens complémentaires permettant d'obtenir des gouttelettes pulvérisées à température négative.According to the method of the invention, the seeds of crystallized water or nucleation seeds are obtained by means of sprayers operating by atomization of water at
Using ultrasound, and by implementing additional means making it possible to obtain droplets sprayed at negative temperature.

Selon ce procédé, on fait passer L'eau dans un pulvérisateur à ultrasons (qui peut être d'un type connu en soi) qui n'agit plus en utilisant la pression du
Liquide comme des pulvérisateurs classiques ; dans ce pulvérisateur à ultrasons, les ondes électriques sont transformées en oscillations mécaniques qui vont détacher des gouttelettes des ondes capillaires du liquide traité.According to this process, the water is passed through an ultrasonic sprayer (which may be of a type known per se) which no longer acts using the pressure of the
Liquid like conventional sprayers; in this ultrasonic sprayer, the electric waves are transformed into mechanical oscillations which will detach droplets from the capillary waves of the treated liquid.

Les fréquences ultrasoniques ont aussi la propriété de permettre le maintien à L'état surfondu de L'eau en particulier en deçà du point de congélation, même en présence de particules glaciogènes. Ultrasonic frequencies also have the property of allowing water to remain in the supercooled state, in particular below the freezing point, even in the presence of glaciogenic particles.

Les pulvérisateurs à ultrasons peuvent utiliser un gaz porteur, de l'air par exemple ; dans ce cas, ce gaz peut être, lui-même, éventuellement refroidi. Ultrasonic sprayers can use a carrier gas, for example air; in this case, this gas can itself be optionally cooled.

Un refroidissement de L'eau peut se faire avant son passage dans le pulvérisateur proprement dit, L'état de surfusion étant obtenu grâce à une source d'oscillations ultrasoniques qui peut être indépendante du convertisseur du gicleur. The water can be cooled before it passes through the sprayer proper, the state of supercooling being obtained thanks to a source of ultrasonic oscillations which can be independent of the nozzle converter.

Grâce au procédé et à l'installation de fabrication de germes de nucléation selon L'invention, il est possible de produire rapidement, simplement et économiquement, de grandes quantités de germes d'eau cristallisée, avec une dépense énergétique incomparablement moindre que celles qui sont habituellement nécessaires pour la mise en oeuvre des procédés classiques de fabrication de germes de nucléation primaire, dans les machines de fabrication de neige artificielles. Thanks to the process and to the installation for the production of nucleating germs according to the invention, it is possible to rapidly, simply and economically produce large quantities of germs of crystallized water, with incomparably less energy expenditure than those which are usually necessary for the implementation of conventional processes for the production of primary nucleation seeds, in artificial snow making machines.

Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente le schéma de principe d'un pulvérisateur à ultrasons utilisable pour ta mise en oeuvre du procédé de l'invention.The aims, characteristics and advantages above, and others still, will emerge more clearly from the description which follows and from the appended drawings in which:
FIG. 1 represents the basic diagram of an ultrasonic sprayer usable for the implementation of the method of the invention.

La figure 2 montre le schéma d'un tel pulvérisateur à ultrasons équipé d'un système de refroidissement de L'eau d'alimentation. Figure 2 shows the diagram of such an ultrasonic sprayer equipped with a cooling system of the feed water.

La figure 3 illustre le schéma d'un pulvérisateur à ultrasons équipé d'un système de refroidissement de l'eau d'alimentation et raccordé à une arrivée de gaz porteur. FIG. 3 illustrates the diagram of an ultrasonic sprayer equipped with a system for cooling the supply water and connected to a supply of carrier gas.

La figure 4 montre le schéma d'un pulvérisateur à ultrasons, avec systèmes de refroidissement du gaz porteur et de L'eau.  Figure 4 shows the diagram of an ultrasonic sprayer, with carrier gas and water cooling systems.

La figure 5 illustre un exemple d'application du procédé et du dispositif de germination selon L'invention, à une installation de fabrication de neige artificielle. FIG. 5 illustrates an example of application of the method and of the germination device according to the invention, to an installation for manufacturing artificial snow.

On se réfère auxdits dessins pour décrire des exemples intéressants, quoique nullement limitatifs, de mise en oeuvre du procédé et de réalisation de L'installation de fabrication de germes d'eau cristallisée à partir d'eau pulvérisée, selon L'invention. Reference is made to said drawings to describe interesting examples, although in no way limitative, of implementation of the method and realization of the installation for the production of germs of crystallized water from water spray, according to the invention.

Selon ce procédé et selon cette installation, Les germes de nucléation sont obtenus au moyen de pulvérisateurs fonctionnant par atomisation d'eau à l'aide d'ultrasons, et par la mise en oeuvre de moyens complémentaires permettant d'obtenir des gouttelettes pulvérisées à température négative, des exemples de tels moyens complémentaires étant donnés dans L'exposé qui suit. According to this process and according to this installation, the nucleation germs are obtained by means of sprayers operating by atomization of water using ultrasound, and by the use of complementary means making it possible to obtain droplets sprayed at temperature. negative, examples of such complementary means being given in the description which follows.

Selon la figure 1, un pulvérisateur 1 à ultrasons est alimenté électriquement par un convertisseur 2 et, en eau, par une arrivée d'eau 12 ; la mise en oeuvre d'un tel pulvérisateur à ultrasons dans un environnement atmosphérique à température négative, permet la fabrication de germes d'eau cristallisée. According to Figure 1, an ultrasonic sprayer 1 is electrically supplied by a converter 2 and, in water, by a water inlet 12; the use of such an ultrasonic sprayer in an atmospheric environment at negative temperature allows the production of germs of crystallized water.

Selon la figure 2, L'eau est refroidie, avant d'arriver au pulvérisateur 1, par exemple par passage dans un échangeur 3 disposé en amont dudit pulvérisateur et dont le liquide de refroidissement 4 est soumis à des vibrations ultrasoniques obtenues à partir d'un convertisseur 5 analogue au convertisseur 2. Le liquide de refroidissement a un point de congélation inférieur à la température à laquelle on veut porter L'eau (-4 degrés C par exemple). According to FIG. 2, the water is cooled, before arriving at the sprayer 1, for example by passing through an exchanger 3 disposed upstream of said sprayer and whose coolant 4 is subjected to ultrasonic vibrations obtained from a converter 5 analogous to converter 2. The coolant has a freezing point lower than the temperature to which the water is to be brought (-4 degrees C for example).

Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé de
L'invention, L'eau traitée par les pulvérisateurs à ultrasons 1-2, est refroidie directement dans le corps 1 desdits pulvérisateurs, avant d'atteindre le ou les orifices de sortie 13 de ces derniers ; dans ce cas, l'échangeur (non représenté) est solidaire de l'atomiseur autour duquel ou à l'intérieur duquel il peut être monté.According to another embodiment of the method of
The invention, The water treated by the ultrasonic sprayers 1-2, is cooled directly in the body 1 of said sprayers, before reaching the outlet orifices 13 of the latter; in this case, the exchanger (not shown) is integral with the atomizer around which or inside which it can be mounted.

Selon le mode d'exécution illustré à la figure 3, les parties constituantes de l'installation désignées par les références 1, 2, 3, 4, 5, 12, sont identiques à celles qui sont désignées par les mêmes références, à la figure 2. According to the embodiment illustrated in Figure 3, the component parts of the installation designated by the references 1, 2, 3, 4, 5, 12, are identical to those which are designated by the same references, in the figure 2.

Selon ce mode d'exécution, le pulvérisateur à ultrasons 1-2, est raccordé à une arrivée de gaz porteur 6 qui peut être de L'air ou de l'azote, par exemple, et qui permet de corriger ou contrôler Le jet atomisé.According to this embodiment, the ultrasonic sprayer 1-2, is connected to an inlet gas carrier 6 which can be air or nitrogen, for example, and which makes it possible to correct or control the atomized jet. .

Selon le mode d'exécution représenté à la figure 4, les parties constituantes de l'installation désignées par les références 1, 2, 3, 4, 5, 6, et 12 sont également identiques à celles qui sont désignées par les mêmes références à la figure 3, mais, dans ce cas, le gaz porteur, essentiellement de l'air, est préalablement refroidi dans un échangeur 7 disposé en amont du pulvérisateur 1 à ultrasons, pour participer à l'abaissement de l'ambiance à la sortie dudit pulvérisateur. According to the embodiment represented in FIG. 4, the constituent parts of the installation designated by the references 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 12 are also identical to those which are designated by the same references to Figure 3, but, in this case, the carrier gas, essentially air, is previously cooled in an exchanger 7 disposed upstream of the ultrasonic sprayer 1, to participate in the lowering of the atmosphere at the outlet of said sprayer.

Selon la figure 5 qui représente schématiquement un générateur de neige artificielle, L'eau pulvérisée par des buses de pulvérisation hydrauliques à pression 8, en fines gouttelettes, mais qui ont tendance à se maintenir à L'état liquide malgré le froid de l'air ambiant 9, est ensemencée par des germes de nucléation produits par des gicleurs à ultrasons 1, conformément au procédé de l'invention. Selon ce mode de mise en oeuvre, L'eau est refroidie dans
L'échangeur 3 avant d'alimenter les pulvérisateurs à ultrasons 1. L'ensemble est placé dans une gaine 10 parcourue par un puissant courant d'air à température humide négative, au moins égale à celle de l'air ambiant, créé par un système de ventilation 11 qui peut être constitué d'un ou de plusieurs ventilateurs hélicoides ou centrifuges placés à
L'arrière de ladite gaine 10, et qui assure l'entraînement des gouttelettes plus ou moins cristallisées dans l'air ambiant 9 à température humide négative où leur transformation va se produire, afin qu'il ne tombe, sur le sol, que de l'eau en particules plus ou moins soudées mais suffisamment sèches pour constituer une neige de culture agréable à skier. According to FIG. 5 which schematically represents an artificial snow generator, the water sprayed by hydraulic spray nozzles at pressure 8, in fine droplets, but which tend to remain in the liquid state despite the cold air ambient 9, is sown with nucleation seeds produced by ultrasonic nozzles 1, in accordance with the method of the invention. According to this mode of implementation, the water is cooled in
The exchanger 3 before supplying the ultrasonic sprayers 1. The assembly is placed in a sheath 10 traversed by a powerful stream of air at negative humid temperature, at least equal to that of the ambient air, created by a ventilation system 11 which may consist of one or more axial or centrifugal fans placed at
The rear of said sheath 10, which ensures the entrainment of the more or less crystallized droplets in the ambient air 9 at negative wet temperature where their transformation will occur, so that it only falls on the ground. water in particles more or less welded but sufficiently dry to constitute a snow of culture pleasant to ski.

Claims (14)

REVENDICATIONS 1. - Procédé d'obtention de germes d'eau cristallisée ou germes de nucléation, à partir d'eau pulvérisée, caractérisé en ce que ces germes d'eau cristallisée sont obtenus au moyen de pulvérisateurs à ultrasons (1-2) fonctionnant par atomisation d'eau à L'aide d'ultrasons, et par la mise en oeuvre de moyens complémentaires (3-4, 5, 6, 7) permettant d'obtenir des gouttelettes pulvérisées à température négative.1. - Method for obtaining germs of crystallized water or nucleation germs, from sprayed water, characterized in that these germs of crystallized water are obtained by means of ultrasonic sprayers (1-2) operating by atomization of water with the help of ultrasound, and by the use of complementary means (3-4, 5, 6, 7) making it possible to obtain droplets sprayed at negative temperature. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'eau traitée par les pulvérisateurs à ultrasons (1-2) est préalablement refroidie, par exemple dans un échangeur (3-4), avant son passage dans lesdits pulvérisateurs.2. - Method according to claim 1, characterized in that the water treated by the ultrasonic sprayers (1-2) is previously cooled, for example in an exchanger (3-4), before its passage through said sprayers. 3. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que L'eau traitée par les pulvérisateurs à ultrasons (1-2) est refroidie directement dans le corps desdits pulvérisateurs (1) avant d'atteindre le ou les orifices de sortie (13) de ces derniers.3. - Method according to claim 1, characterized in that the water treated by the ultrasonic sprayers (1-2) is cooled directly in the body of said sprayers (1) before reaching the outlet orifices (13 ) of these. 4. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement est soumis à des vibrations ultrasoniques.4. - Method according to claim 2, characterized in that the coolant is subjected to ultrasonic vibrations. 5. - Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que te jet de particules produit par les pulvérisateurs à ultrasons (1-2) est contrôlé ou corrigé par un gaz porteur (6).5. - Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the jet of particles produced by the ultrasonic sprayers (1-2) is controlled or corrected by a carrier gas (6). 6. - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz porteur (6) est préalablement refroidi, par exemple dans un échangeur (7),avant son passage dans les pulvérisateurs à ultrasons (1).6. - Method according to claim 5, characterized in that the carrier gas (6) is previously cooled, for example in an exchanger (7), before its passage through the ultrasonic sprayers (1). 7.- Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la nucléation des particules produites par les pulvérisateurs à ultrasons (1-2) est renforcée par un courant d'air à température humide négative, au moins égale à celle de l'air ambiant, et produit, par exemple, par des ventilateurs hélicoïdes ou centrifuges (11).7.- Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the nucleation of the particles produced by the ultrasonic sprayers (1-2) is reinforced by a current of air at negative wet temperature, at least equal to that of ambient air, and produced, for example, by axial or centrifugal fans (11). 8. - Installation pour l'obtention de germes d'eau cristallisée ou germes de nucléation, à partir d'eau pulvérisée, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un pulvérisateur à ultrasons (1-2) raccordé à une arrivée d'eau (12), et des moyens complémentaires (3-4, 5, 6, 7) permettant d'obtenir des gouttelettes pulvérisées à température négative.8. - Installation for obtaining germs of crystallized water or nucleation germs, from sprayed water, characterized in that it comprises at least one ultrasonic sprayer (1-2) connected to an inlet water (12), and additional means (3-4, 5, 6, 7) allowing spray droplets to be obtained at negative temperature. 9. - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (3-4) disposé en amont du pulvérisateur à ultrasons (1-2) et permettant de refroidir L'eau avant son passage dans ledit pulvérisateur à ultrasons (1).9. - Installation according to claim 8, characterized in that it comprises an exchanger (3-4) disposed upstream of the ultrasonic sprayer (1-2) and allowing to cool the water before it passes through said ultrasonic sprayer (1). 10. - Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce qu'un échangeur permettant de refroidir l'eau traitée par le pulvérisateur à ultrasons (1) avant qu'elle n'atteigne le ou les orifices de sortie (13) de ce dernier, est solidaire dudit pulvérisateur à ultrasons (1).10. - Installation according to claim 8, characterized in that an exchanger for cooling the water treated by the ultrasonic sprayer (1) before it reaches the outlet orifices (13) of the latter , is integral with said ultrasonic sprayer (1). 11. - Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un générateur (5) de vibrations ultrasoniques permettant de soumettre l'échangeur (3-4) à de telles vibrations.11. - Installation according to claim 9, characterized in that it comprises a generator (5) of ultrasonic vibrations making it possible to subject the exchanger (3-4) to such vibrations. 12. - Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que le pulvérisateur à ultrasons (1) est raccordé à une arrivée (6) de gaz porteur.12. - Installation according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the ultrasonic sprayer (1) is connected to an inlet (6) of carrier gas. 13. - Installation suivant la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (7) disposé en amont du pulvérisateur à ultrasons (1) et permettant de refroidir Le gaz porteur (6) avant son passage dans ledit pulvérisateur à ultrasons (1). 13. - Installation according to claim 12, characterized in that it comprises an exchanger (7) disposed upstream of the ultrasonic sprayer (1) and allowing the carrier gas (6) to be cooled before it passes through said ultrasonic sprayer ( 1). 14. - Installation suivant L'une quelconque des revendications 8 à 13, par exemple appliquée à la réalisation d'une machine de fabrication de neige artificielle, caractérisée en ce que les pulvérisateurs à ultrasons (1) sont placés dans une gaine (10) parcourue par un puissant courant d'air créé par un système de ventilation (11) par exemple constitué par un ou plusieurs ventilateurs hélicoades ou centrifuges placés à L'arrière de ladite gaine (10). 14. - Installation according to any one of claims 8 to 13, for example applied to the production of an artificial snow making machine, characterized in that the ultrasonic sprayers (1) are placed in a sheath (10) traversed by a strong current of air created by a ventilation system (11) for example constituted by one or more helical or centrifugal fans placed at the rear of said sheath (10).
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