制雪機(jī)工作原理

1、制雪機(jī)工作原理20世紀(jì)初期到中期，滑雪運(yùn)動(dòng)迅速地流行起來。隨著越來越多的人熱衷于這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)并使之成為每年一度的傳統(tǒng)，滑雪道也發(fā)展成了利潤(rùn)極其豐厚的生意。但度假勝地的經(jīng)營(yíng)者面臨著一個(gè)主要問題：他們的生意能否成功完全取決于天氣。如果不下雪或降雪量不夠，他們只好關(guān)閉所有設(shè)施，直到有充足的降雪量才能營(yíng)業(yè)。世界上許多地區(qū)的滑雪季節(jié)只有一到兩個(gè)月的時(shí)間。當(dāng)然，解決方案是想出一種辦法，能夠在需要雪的時(shí)候制雪（如果天公不作美的話）結(jié)果有人發(fā)明了一種名為雪槍的設(shè)備。這種設(shè)備確實(shí)非常有用，即使在自然降雪量豐富的時(shí)候也是如此，因?yàn)樗苟燃賱俚氐慕?jīng)營(yíng)者可以更好地控制最上面一層雪的平整性，從而創(chuàng)造出更好的滑雪條件。如今，

2、制雪機(jī)已成為世界各地絕大多數(shù)滑雪勝地的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。制雪機(jī)使許多滑雪勝地每年的開放時(shí)間可達(dá)到四個(gè)月甚至更長(zhǎng)，而一些室內(nèi)雪道甚至可以全年開放！在猶他州鹿谷工作的SuperWizzard造雪機(jī)在本文中，我們將研究這些雪槍，了解它們的工作原理、它們能夠完成的工作，以及如何使用它們來創(chuàng)造理想的滑雪條件。這樣，在下一次滑雪時(shí)，您將十分清楚這些完美的雪來自何處！雪是如何形成的？人們對(duì)機(jī)器造雪有一種普遍的看法，認(rèn)為這樣的雪不夠自然。但事實(shí)并非如此，這種雪與從天上落下來的雪并沒有任何差別，唯一的不同之處在于，這種雪是由機(jī)器而不是天氣條件制造的。雖然機(jī)器的工作方式與天氣系統(tǒng)截然不同，但所完成的工作卻完全相同。為了弄

3、清機(jī)器制雪的工作原理，我們不妨先來了解一下在自然條件下雪是如何形成的。雪來自于大氣中的水汽。當(dāng)大氣中的水汽（氣態(tài)的水）溫度降至冷凝點(diǎn)時(shí)（從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或固態(tài)），就形成了云。云層中的水滴很輕，大氣中的空氣足以讓它們停留在空中。如果水滴變得過重，就會(huì)以降水的形式下落。當(dāng)溫度低到一定程度時(shí)，水蒸汽就不會(huì)冷凝成液態(tài)水滴，而是形成微小的冰晶。在世界上大多數(shù)地區(qū)，雨通常以雪的形式開始下落，但在大氣中下落的過程中，雪會(huì)融化（在云層這樣的高度會(huì)非常冷，即使在夏季也是如此）。奇怪的是，水不會(huì)在“凍結(jié)溫度”（攝氏0度）下自動(dòng)結(jié)冰。純水只有冷卻到一個(gè)更低的溫度（如華氏-40度/攝氏-40度），才會(huì)失去足夠的熱能并

4、轉(zhuǎn)變形態(tài)。不過，云層中的水的確通常在攝氏0度的情況下結(jié)冰，這都是成核劑的作用。成核劑是一種自然形成的物質(zhì)，有助于水分子結(jié)合。它會(huì)吸引水分子，從而將水分子所含的熱能降到可以形成冰晶的臨界點(diǎn)。雪晶中的成核劑只是一些灰塵、細(xì)菌和其他懸浮在大氣中的物質(zhì)。水在成核劑上凝結(jié)后形成雪晶的核心（中心）。隨著雪晶在云層中四處移動(dòng)，會(huì)有更多的水粒子凝結(jié)到上面并凍結(jié)為晶體。各個(gè)晶體的集合就形成了雪花。雪花在逐漸變重之后會(huì)落向地面。如果在整個(gè)下落過程中溫度一直都很低，那么雪花在到達(dá)地面時(shí)將仍處于凍結(jié)狀態(tài)。人造雪在上一部分中，我們看到，水汽在溫度低到一定程度時(shí)就會(huì)凝結(jié)（通常圍繞著成核劑凝結(jié)），并變成冰晶，從而形成了雪。

5、因此，制雪要滿足的主要條件是水和低溫。如果將某些成核劑加到水中，會(huì)有助于這一過程。水中已經(jīng)含有很多可以作為成核劑的物質(zhì)，但是增加成核劑的數(shù)量仍是一個(gè)好主意，因?yàn)檫@樣可確保更多的水滴在落到地面之前就凝結(jié)。一種名為Snowmax的天然蛋白質(zhì)是使用得最廣泛的成核劑之一，它吸引水分子的效果特別好。傳統(tǒng)類型的雪槍通過將冷卻水和壓縮空氣結(jié)合起來的方式制造水滴。在雪坡上，您會(huì)注意到這些雪槍連接到兩條不同的軟管上，這兩條軟管又分別連接到空氣站和水龍頭上。水龍頭再連接到兩條在雪下甚至地下鋪設(shè)的管道上。一條管道從湖、池塘或水庫(kù)中抽水，另一條則從一個(gè)空氣壓縮機(jī)中抽取高壓空氣?？諝?#169;冰晶粒水A溫度低于-11

6、3 u將水霧比成小水滴A 裝下）10壓縮空氣主要有三個(gè)作用:它會(huì)將水霧化一一也就是說，破壞水流，使之變成很多小水滴它會(huì)將水滴吹到空氣中它可在水滴飛入空氣中時(shí)對(duì)其進(jìn)行冷卻地壓在一起，這意味著它們不能像以往那樣四處運(yùn)動(dòng)了。當(dāng)釋放空氣時(shí)，空氣粒子會(huì)散開，它們可以更自由地移動(dòng)。這意味著粒子需要使用更多的能量，它們會(huì)從周圍區(qū)域吸收熱量，從而冷卻水滴周圍的空氣。最后一步是使用壓縮空氣的一個(gè)附帶好處當(dāng)壓縮空氣時(shí)，不同的空氣粒子會(huì)被緊緊另一種常見的制雪機(jī)稱為無壓縮空氣雪槍。無壓縮空氣雪槍使用簡(jiǎn)單的噴嘴（類似于家用噴霧瓶上的噴嘴），將水霧化成細(xì)水霧。然后通過強(qiáng)力風(fēng)扇將小水滴吹到空氣中。這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)在于，您

7、不需要將雪槍與壓縮空氣供應(yīng)裝置相連，只要提供水和電源就足夠了。還有一些雪槍設(shè)計(jì)實(shí)際上利用了高速風(fēng)扇來使水霧化。KidWizzard無壓縮空氣雪槍水從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)要釋放很多能量，您必須將它的熔解熱除去。熔解熱是將冰轉(zhuǎn)換為攝氏0度的液態(tài)水所必需的大量熱能。如果溫度低到一定程度，外界的自然條件將足以使水結(jié)冰，但如果外界溫度只比凍結(jié)點(diǎn)稍低，則需要額外的部件來加速這一過程。有些制雪機(jī)有專門的冷卻裝置，可以在自然條件的溫度還沒有低到足以完成這項(xiàng)工作時(shí)加速凍結(jié)過程。為了使水在落到地面之前有足夠的時(shí)間凍結(jié)，很多滑雪場(chǎng)都利用雪槍塔來造雪。它們只是一些結(jié)實(shí)的桿柱，用于將雪槍升至雪坡上方。這種裝置的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，雪

8、槍對(duì)滑雪者的干擾會(huì)更小一些。由于雪是從上方落下來的，人們會(huì)感覺就像自然下雪一樣。安裝在塔上的SuperWizzard雪槍在大多數(shù)滑雪場(chǎng)，工人會(huì)首先堆積一大堆人造雪，然后利用雪道整理設(shè)備將雪鋪到雪道上。雪道整理機(jī)實(shí)際上就是拖拉機(jī)，只不過它的履帶很寬，可以將雪攤開，并壓擠雪地，使雪干燥并變成粉狀。對(duì)于滑雪場(chǎng)而言，定期整理雪道是制雪過程的一個(gè)基本組成部分。制雪條件正如我們所看到的，制雪機(jī)的主要任務(wù)是完成大氣中成雪云層所做的工作。這些機(jī)器并非在任何條件下都能完成造雪工作，它們需要合適的地面天氣，就像自然界的雪也需要合適的地面天氣才能落到地面并堆積起來一樣。為了判斷制雪時(shí)機(jī)，并確保雪的類型正確，滑雪場(chǎng)需

9、要依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的制雪機(jī)操作員，這些人通常被稱為制雪工。那么制雪工如何確定條件是否合適呢？事實(shí)上，他們需要的信息遠(yuǎn)非普通溫度計(jì)所能提供。標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量大氣的干球溫度；但是降雪條件中最重要的因素是濕球溫度。濕球溫度是干球溫度和相對(duì)濕度（空氣中的水汽含量）的一個(gè)函數(shù)。液態(tài)或固態(tài)水通過將一些水蒸發(fā)為水汽來冷卻自身。蒸發(fā)會(huì)釋放熱量，從而降低水中的能量水平。如果大氣中水汽過多，則水或雪的蒸發(fā)作用就會(huì)減弱，因?yàn)榭諝庵械乃呀?jīng)相當(dāng)飽和了。因此，在濕度較高時(shí)水冷卻的速度會(huì)比較慢，而濕度較低時(shí)水冷卻的速度會(huì)加快。維吉尼亞WintergreenResort的一名制雪工在檢查空氣雪槍根據(jù)這個(gè)道理，濕度可謂是確定降雪

10、條件的一個(gè)非常重要的因素。如果濕度低到一定程度，那么即使干球溫度比冰凍溫度高幾度，也可以得到雪。如果相對(duì)濕度為100%,則濕球溫度和干球溫度將完全相同。但此時(shí)，即使?jié)袂驕囟群透汕驕囟染鶠楸鶅鰷囟龋玫降囊部赡苁撬皇茄?，這是因?yàn)榭諝庵械娘柡蜐穸却蟠鬁p緩了冷卻過程。如果溫度在攝氏-1度左右，則需要很低的相對(duì)濕度（不到30%）才能得到合適的制雪條件。如果溫度不到攝氏-6.7度，即使相對(duì)濕度為100%,您也可以輕松制雪。攝氏-10.6到-7度是制雪的理想溫度。制雪工藝我們已經(jīng)看到，雪槍的基本原理相當(dāng)簡(jiǎn)單。不過實(shí)際的制雪工藝要復(fù)雜一點(diǎn)。濕球溫度需要低到一定程度，制雪工必須仔細(xì)平衡水和空氣的水平，以獲

11、得想要的結(jié)果。有各種類型的雪。這些雪之間的主要區(qū)別在于，一定體積的雪中所含水量的多少。制雪工經(jīng)常談到干雪和濕雪。干雪的含水量相對(duì)較少，因此干雪非常輕，并呈粉狀。這種類型的雪非常適合滑雪，因?yàn)榛┌蹇梢暂p松地從雪上滑過而不會(huì)陷在濕泥中新西蘭的SuperWizzard雪槍使用制雪機(jī)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，可以確保雪坡表面上總是這種理想的粉狀雪。不過，濕雪也在滑雪坡道中扮演著一個(gè)重要角色?；﹫?chǎng)的經(jīng)營(yíng)者利用這種較為稠密的雪在鋪好的雪道上積累雪的高度。許多滑雪場(chǎng)一年內(nèi)會(huì)采用這種方式一到兩次來積累雪的厚度，并在整個(gè)冬季定期用一層干雪鋪設(shè)雪道。雪的密度或濕度取決于外界的溫度和濕度，以及雪槍發(fā)射出的水滴尺寸。制雪工

12、必須調(diào)整雪槍中水和空氣的比例，以根據(jù)戶外天氣條件制造出完美而均勻的雪。由于滑雪坡道上不同位置的溫度和濕度水平可能會(huì)有顯著的差別，因此制雪工必須對(duì)每臺(tái)機(jī)器做出相應(yīng)的調(diào)整。隨著新技術(shù)的引進(jìn)，近期這個(gè)過程變得稍微容易了一些?，F(xiàn)在，許多滑雪坡道利用一個(gè)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來控制雪槍，該系統(tǒng)與坡道上的所有天氣狀況監(jiān)測(cè)站相連。計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的溫度和相對(duì)濕度來確定雪和空氣的最佳混合比。當(dāng)然，這些系統(tǒng)并非總能獲得正確的混合比，但它們是很不錯(cuò)的制雪輔助設(shè)備。人造雪的其他應(yīng)用領(lǐng)域制雪機(jī)應(yīng)用范圍最廣的市場(chǎng)是滑雪業(yè)。但人造雪還有許多其他用途。例如， 制雪機(jī)在許多電影制作中扮演著重要角色。電影制作者經(jīng)常要花幾個(gè)月的時(shí)間來拍攝

13、只在幾天內(nèi)發(fā)生的場(chǎng)景。如果電影情節(jié)在一個(gè)下雪的背景中展開，布景師則需要為每天的拍攝布置合適的雪量。根據(jù)具體天氣情況，這可能意味著融化自然雪或者增加人造雪。人造雪在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中同樣占有一席之地。一層覆蓋良好的雪會(huì)阻止土地的熱量大量散發(fā)到空氣中，因此農(nóng)民經(jīng)常利用雪作為冬季農(nóng)作物的保溫層。即使溫度降至攝氏零度，隔離效應(yīng)也能保證農(nóng)作物不會(huì)被凍壞。人造雪的另一個(gè)用途是測(cè)試飛行器設(shè)備。由于飛機(jī)在大氣中飛得很高，它們必須能夠承受寒冷且多雪的天氣條件。飛機(jī)設(shè)計(jì)師們利用制雪機(jī)來測(cè)試飛機(jī)設(shè)備在這些條件下的性能。小型制雪機(jī)和人造雪服務(wù)也有消費(fèi)市場(chǎng)。有些房主愿意在圣誕節(jié)期間花幾百美元讓自己的院子和屋子鋪上一層令人賞心悅

14、目的白雪，或者只是為了給孩子們一次特別的獎(jiǎng)勵(lì)。真心想讓院落里散滿皚皚白雪的人可以購(gòu)買私人制雪機(jī)。這些型號(hào)的制雪機(jī)的價(jià)格通常為數(shù)千美元，可連接到普通的花園水管和標(biāo)準(zhǔn)電氣插座上。與滑雪坡道上的制雪機(jī)一樣，這類制雪機(jī)也需要消耗大量的水和電能；但它們很容易操作。制雪成本要想利用人造雪覆蓋多條滑雪道，您需要大量的水。根據(jù)SMISnowMakers提供的資料，需要大約285,000升的水才能為61米x61米的區(qū)域鋪上15厘米厚的雪。一個(gè)大型滑雪坡道中的制雪系統(tǒng)每分鐘可將18,927至37,854升的水制成雪！對(duì)于滑雪場(chǎng)來說，水的成本并不算巨額開支，抽取這么多的水對(duì)環(huán)境的影響也不是很大。大多數(shù)滑雪場(chǎng)從位于低

15、處的一個(gè)或者多個(gè)蓄水池中抽水。從坡道上流下的水會(huì)返回到這些蓄水池中，因此滑雪場(chǎng)實(shí)際上是在反復(fù)利用同樣的水。但是造雪用水到處流動(dòng)會(huì)對(duì)動(dòng)植物造成一些不利的影響，因此滑雪場(chǎng)必須努力確保水位相對(duì)平衡。電力消耗是一項(xiàng)重要的環(huán)境考慮因素，也是滑雪場(chǎng)最大的開支之一。如果為坡道造雪的雪槍使用的是壓縮空氣，則必須提供大量的能量來驅(qū)動(dòng)大型空氣壓縮泵。止匕外，還需要一個(gè)泵系統(tǒng)來為制雪機(jī)供水。這些泵通常由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)造成大量的空氣污染。使用無壓縮空氣雪槍的滑雪場(chǎng)同樣需要大量的電能來驅(qū)動(dòng)機(jī)器的風(fēng)扇。雖然這類雪槍每制造0.3米雪所消耗的能量要少得多，但它們?nèi)匀皇侵饕暮哪軝C(jī)器。對(duì)于大多數(shù)滑雪場(chǎng)來說，電力消耗在所有開支中位居第二位，僅次于人力成本（僅制雪這一項(xiàng)就需要許多人力）。不管滑雪場(chǎng)采用什么樣的技術(shù)，制雪在能耗中所占的比例都是相當(dāng)高的。維吉尼亞WintergreenResort中的空氣雪槍在為坡道鋪雪由于制雪費(fèi)用高昂，滑雪場(chǎng)必須制定一種合理的策略，確定使用這些機(jī)器的時(shí)間和地點(diǎn)。制