Fonctionnement des enneigeurs

Types d'enneigeurs :

Il existe deux types d'enneigeurs, monofluide et bifluide. Les enneigeurs monofluides sont alimentés uniquement par un réseau d'eau et agissent tel un ventilateur. Le canon à neige prend la forme d'un ventilateur dans lequel de l'eau sous pression est envoyée. Ils possèdent ainsi l'avantage d'être transportables. Les enneigeurs bi-fluides sont cependant plus répandus grâce à leur efficacité supérieure. Ils sont alimentés par un réseau d'eau et un réseau d'air sous pression, et peuvent être à induction ou à nucléation (voir la partie "Production de la neige").

Nous ne préciserons ici que le fonctionnement des canons à neige bi-fluides, car c'est ce type d'enneigeur qui est majoritairement utilisé sur le domaine de Puy-Saint-Vincent. Le fonctionnement de ces canons est associé à une retenue d'altitude.

Les canons à neige de type bi-fluide utilisent de l'eau et de l'air sous pression pour fonctionner. On trouve donc deux réseaux d'air et d'eau souterrains. Afin d'assurer la pression nécessaire à chaque canon, des stations de pompage et des compresseurs d'air sont installés en des points critiques du réseau. De plus, la retenue collinaire est le plus souvent placée en altitude pour obtenir plus de pression par écoulement gravitaire. De ce fait, les stations de pompages ne sont nécessaires qu'en des points particuliers du réseau. 

Les caractéristiques des canons majoritairement utilisés par la station (modèles Borax et Rubis) sont décrites dans les deux images ci-dessous, obtenues à partir du site de TechnoAlpin :

Figure 1 - Caractéristiques du canon à neige Rubis. (source : Technoalpin)

Figure 2 - Caractéristiques du canon à neige Borax. (source : Technoalpin)

 

Les principales caractéristiques que nous veillerons à respecter sont les pressions maximales et minimales ainsi que les débit d'eau entrant dans les canons. D'autres caractéristiques, comme par exemple le niveau sonore, seront prises en compte pour l'étude de l'impact environnemental.

 

Les canons à neige sont équipés de vannes de régulation qui agissent à la fois sur l'air et sur l'eau. En effet, des mesures en temps réel de température et d'humidité sont réalisées par des capteurs placés sur les pistes de ski et permette de réguler la mise en marche des enneigeurs à l'aide d'automates. Les mesures d'humidité sont réalisées à l'aide d'un matériau hygroscopique, c'est à dire qui peut absorber et restituer la vapeur d'eau. Des anémomètres sont également installés pour contrôler la vitesse du vent, qui n'est pas un paramètre clé de fonctionnement mais un paramètre perturbateur, et donc à prendre en compte.

 

Conditions climatiques :

La température à prendre en compte pour le fonctionnement des canons à neige est la température humide. Cette température correspond à la température enregistrée par un thermomètre où le bulbe est recouvert d'une mèche imprégnée d'eau. Ainsi, les températures humides sont inférieures aux températures sèches, puisqu'elles correspondent aux températures sèches dans le cas d'une humidité de $100$ $\%$.

À l'aide d'un diagramme psychrométrique, on obtient le tableau ci dessous :

Tableau 1 : Qualité de la neige

On relève 3 catégories de fonctionnement :

• En vert, les températures humides sont inférieures à $-7°C$ et la neige produite est de bonne qualité.
• En jaune, les températures humides sont comprises entre $-7°C$ et $-3°C$ : la production de neige de culture est possible mais la neige est humide. Ce type de neige est toutefois satisfaisant pour réaliser une sous-couche neigeuse en début de saison.
• En rouge, la température humide est supérieure à $-3°C$ et il n'est pas possible de produire de la neige artificielle.

Ainsi, afin d'obtenir de la neige de bonne qualité, on privilégie un fonctionnement nocturne.

Les automates de régulation installés dans les enneigeurs possèdent en mémoire le diagramme psychrométrique utilisé pour aboutir au tableau ci-dessus, et calculent donc le température humide à tout instant, puis, selon la qualité de neige souhaité, autorisent ou non la mise en marche de l'enneigeur.

 

Production de la neige :

Il existe deux types principaux de canons à neige bi-fluide utilisés sur la station de Puy-Saint-Vincent.

• À induction :

Les canons à neige bi-fluides à induction (de type Borax) sont équipés d'une buse composée d'une chambre de mélange eau-air et de deux gicleurs. La production de la neige se fait alors en 5 étapes :

1. Atomisation : le jet d'eau est séparé en fines gouttelettes dont la taille permet une cristallisation en glace dès lors qu'on les projette dans l'air ambiant à température (humide) négative. La congélation est d'autant plus facilitée que la taille des gouttes est petite. En pratique, on cherchera à obtenir un diamètre autour de 0.5 mm.
2. Insémination : les gouttelettes sont ensuite transformées en grains congelés par rupture de l'état d'équilibre de l'eau en surfusion dès une température aux alentours de -3°C humide. Cette insémination se fait par la rencontre de l'eau atomisée avec le flux de nucléation.
3. Dispersion : les gouttelettes sont alors projetées dans l'air ambiant et se transforment rapidement en glace, avant d'atteindre le sol. Cette dispersion peut avoir lieu grâce à un ventilateur (plutôt dans le cas d'un enneigeur mono-fluide) ou grâce à la détente d'air comprimé ou d'eau à forte pression. C'est pour cela qu'on cherche à obtenir des pressions d'eau et d'air importantes au niveau du canon à neige.
4. Évaporation : en parallèle, lorsque la gouttelette est projetée dans l'air, sa partie extérieure va avoir tendance à s'évaporer et ainsi à faciliter sa congélation. Cette évaporation sera d'autant plus importante que l'air ambiant est sec. Ceci est en accord avec le tableau présenté ci-dessus, dans lequel on voit apparaître des températures maximales de production plus élevées pour un air sec.
5. Convection : enfin, de la chaleur est échangée par le contact entre l'eau (la gouttelette) et l'air, et la neige formé par le processus décrit précédemment est transportée jusqu'au point souhaité. C'est en partie pour cela que des anémomètres sont placés à proximité de chaque canon à neige.

 

• À nucléation :

Les canons à neige bi-fluides à nucléation (de type Rubis) sont, quant à eux, équipés d'une buse composée de quatre étages de gicleurs. La production de la neige se fait cette fois ci en 6 étapes, une étape de nucléation s'ajoutant entre l'étape d'atomisation et celle d'insémination. Les quatre chambres d'une buse d'un canon de type rubis sont remplies pour trois d'entre elles d'eau sous pression, et pour une d'entre elles d'un mélange eau-air. C'est cette couronne, composée d'un mélange, qui est à la base de la nucléation.

La nucléation permet la formation de micro-cristaux de glace qui seront utiles à l'insémination des gouttelettes lors de leur sortie de l'enneigeur. Ces micro-cristaux sont formés par un mélange eau-air sous pression (avec une proportion d'air importante), puis une fragmentation de ce mélange par un orifice qui provoque une brutale détente de l'air et donc un refroidissement en sortie du nucléateur. Une  cristallisation immédiate des particules d'eau en présence provoque alors la formation des micro-cristaux de glace (aussi appelés noyaux de nucléation).

Les étapes suivantes sont alors similaires au cas du canon à induction et sont facilitées par la présence de ces noyaux de nucléation.