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造雪機是什麽原理?怎樣保證造出來的是雪而不是冰?

2014-12-23科學

造雪是用於增加冬季運動(如滑雪或滑雪)可用的雪量的小冰顆粒。它是由一台使用高壓泵向冷空氣噴出水霧的機器生產的。水滴隨後結晶形成假雪。第一台商業成功的機器是在20世紀50年代研制成功的,技術不斷改進。隨著冬季運動的普及,人造雪市場有望呈現顯著增長。

背景

產生人造雪的機器旨在模仿自然造雪的方式。在自然界中,當溫度低於32°F(0°C)時,就會形成雪花。大氣中的水然後凝結在空氣中的粒子上並結晶。此操作產生具有各種尺寸和形狀的雪花。

在雪機中,水首先與核材料混合。然後透過霧化噴嘴加壓和強制。這會將水分解成霧氣,然後註入壓縮空氣以進一步分解。當它離開雪機時,薄霧在核子上結晶,變成微小的雪狀冰顆粒。根據造雪機的品質,人造雪可以和天然雪一樣好。

歷史

雖然考古證據表明人類在大約4000年前第一次滑雪,但人們直到19世紀中葉才開始關註這項運動。1883年,第一屆國際比賽在挪威舉行。這項運動很快蔓延到歐洲和美國的其他地方。隨著滑雪運動的普及程度的提高,人們也越來越需要一種裝置,在不自然可用時可以提供雪。這一需要促成了第一台人造造雪機的研制。

最早的一台機器在20世紀初獲得專利。雖然它功能正常,但這台機器是粗糙和不可靠的。設計上的穩步改進導致在 20 世紀 50 年代開發了壓縮空氣造雪機。這台機器的工作原理是使用壓縮空氣透過噴嘴強制澆水。噴嘴會將水分解成較小的水滴,隨後會結晶。皮爾絲裝置,以它的發明者命名,是足夠有效,大多數滑雪勝地使用它。然而,它確實有它的缺點,最值得註意的是,噴嘴往往堵塞,它需要一個非常高量的壓縮空氣。這使得執行成本高昂。此外,這台機器相當嘈雜,它產生的雪往往更潮濕,更冷。

在20世紀70年代,對提高人工造雪品質和方法的機器進行了各種新的創新。一個改進是增加了一個旋轉基地和風扇。風扇將吹新產生的雪遠離機器比壓縮空氣單獨和旋轉基地允許雪的方向改變。這使得單機覆蓋更大的區域成為可能。另一個改進是引進了導管風扇機。這些機器是人員攜行式的,使得它們有可能在滑雪道上全部使用。它們優於壓縮空氣機,因為它們安靜得多,執行成本也更低。

1975年,威斯康辛大學研究生史蒂夫·林多發現了一種核介子。在研究一種保護植物免受霜凍損害的方法時,他發現了一種能吸引水分子並幫助它們形成晶體的蛋白質。很快就意識到,這將是制造人造雪的有用材料。該材料當時是商標,現在以Snomax的商號出售。

隨著電子裝置的改進,人工造雪機的控制也有所改進。增加了電腦控制,可以自動檢測雪要求的傳感器也被添加了。還增加了功率更高的風扇。各種其他創新導致機器,可以產生更好的雪和更多的。如今,幾乎所有的滑雪勝地都采用某種人工造雪系統來改善滑雪條件,延長滑雪季節。

原料

水是制造人造雪所需的主要成分。然而,由於滑雪區位於山上,找到適當的供水往往是一個問題。如果河流或小溪就在附近,則可以使用。否則,在山腳下建立池塘或水壩,以產生蓄水供應。然後在需要時將水泵送至造雪機。

除水外,還需要壓縮空氣和核材料來造雪。壓縮空氣是使用泵獲得的。核制劑是一種可生物降解的蛋白質,它使水分子在高於正常溫度時形成晶體。它來自一種叫做 偽多莫納斯註射器的 無毒菌株。平均而言,這種材料可使機器產生的雪量增加 50%。它還有助於生產更輕、更幹燥的薄片。

設計

任何造雪系統中最重要的部份是造雪機,稱為雪炮或雪槍。各種設計是可用的,但大多數包含常見的元素,包括壓縮機,泵,風扇和控制。

造雪機的中心部份是風扇元件。這部份負責將空氣/水混合物轉換成微小的液滴,然後吹到斜坡上。它類似於典型的人員攜行式風扇。它有一個旋轉螺旋槳葉片連線到變速電機。附著在葉片上的是彎曲的葉片,以線性方式引導空氣流動。風扇被包裹在兩端開啟的拉長鋼管中。當風扇的葉片移動時,空氣從管道的一側被吸引進來。這一側覆蓋著一個螢幕,以防止異物進入裝配。控制雪的主要成分的機制位於風扇管道的前部或排放端。這包括噴水、壓縮空氣泵和核裝置。核裝置包含一個裝滿核介子的儲層。水透過這個儲層泵送,蛋白質被吸收。

在造雪過程中,風扇元件連線到各種部件上。為了獲得水和空氣,軟管連線到風扇元件。這些軟管連線到一系列壓縮機和水泵,透過管道將空氣和水輸送到山上。為了增加雪的覆蓋範圍,風扇元件安裝在振蕩支架上,或在絞索上。根據設計,吊架的位置可以離地面或連線到高塔上。杠桿可能連線到掛鉤,該掛鉤可以調整雪從機器中結束的角度。機器的控制盒通常位於絞槍底部。這包括操作諸如水流、風扇旋轉和振蕩速度等操作的開關。控制盒可由遠端電腦操作。

制造
工藝

人工造雪需要一系列裝置,可以移動水和空氣上山,結合他們與核

造雪機的中心部份是風扇元件。這部份負責將空氣/水混合物轉換成微小的液滴,然後吹到斜坡上。它類似於典型的人員攜行式風扇。

材料,並噴灑到空氣中的小水滴。通常,該系統在夏季安裝,並在斜坡關閉後在夜間執行。

系統安裝

  • 1 人工造雪需要在山坡上安裝整個系統。該系統包括一系列水管、電纜、水泵和壓縮機,以及造雪機。首先,繪制顯示系統布局的計劃。然後,水管和電纜鋪設在穿過整個斜坡的長溝中。溝渠必須挖得很深,這樣冬天的水就不會結冰。在水線沿線的不同點,安裝了閥門和軟管,將水帶到水面上。幹草包被放置在他們周圍以保護。
  • 將水與其他元件混合

  • 2 造雪通常在夜間完成,需要持續監控。通常只有在室外溫度為 28°F (-2.2° C) 或以下時才能完成。許多雪機一直連線到斜坡上的水線上。當機器開啟時,造雪過程就開始了。水首先被泵上山到各種機器。根據機器的型別,水可以在抽水前或首次進入機器時與核材料混合。
  • 建立雪

  • 3 然後將水與壓縮空氣混合,透過高功率風扇泵送。風扇可以向空氣中噴灑近 60 英尺(18.3 米)的混合物。當它離開機器時,水結晶並形成雪。積雪堆積如山,是被稱為柯吉拉的大土堆。此時可以分析雪,並調整機器以產生最優質的雪。
  • 4 當一堆人造雪明顯高時,造雪機就會關閉。在最佳效能下,造雪機可以在大約 2 小時內產生足夠的積雪覆蓋一英畝土地。然後,柯吉拉被允許設定,或治愈,兩到三天。這讓多余的水排幹,並有助於產生一個更柔軟的雪。
  • 移動雪

  • 5 固化過程後,雪堆已準備好梳理。使用特殊的犁,雪被平滑到滑雪表面。移動時,透過耕種裝置發送。這使雪飄起來,使它更易滑雪。
  • 品質控制

    生產與天然雪一樣好或更好的人造雪需要重要的品質控制措施。在生產之前,對核材料進行檢查,以確保其符合適當的規格。在造雪時,對晶體品質、外觀和濕潤情況進行分析。空氣/水的比例可以調整,以改善雪的品質。如果雪的品質最高,它會持續更長的時間,保持其形狀更好,更容易梳理。

    未來

    目前的人工造雪技術的缺點表明,未來可能會有所改進。目前,這些機器產生的噪音是個問題。雖然已經嘗試減少聲音,未來的機器將更加安靜。造雪機的另一個局限性是其執行溫度範圍狹窄。新機器可以在超過28°F(-2.2°C)的溫度下產生雪。這些機器也可能在更短的時間內產生更高品質的雪。

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