制雪机工作原理

制雪机工作原理

20世纪初期到中期，滑雪运动迅速地流行起来。随着越来越多的人热衷于这项运动并使之成为每年一度的传统，滑雪道也发展成了利润极其丰厚的生意。但度假胜地的经营者面临着一个主要问题：他们的生意能否成功完全取决于天气。如果不下雪或降雪量不够，他们只好关闭所有设施，直到有充足的降雪量才能营业。世界上许多地区的滑雪季节只有一到两个月的时间。

当然，解决方案是想出一种办法，能够在需要雪的时候制雪（如果天公不作美的话）。结果有人发明了一种名为雪枪的设备。这种设备确实非常有用，即使在自然降雪量丰富的时候也是如此，因为它使度假胜地的经营者可以更好地控制最上面一层雪的平整性，从而创造出更好的滑雪条件。如今，制雪机已成为世界各地绝大多数滑雪胜地的标准设备。制雪机使许多滑雪胜地每年的开放时间可达到四个月甚至更长，而一些室内雪道甚至可以全年开放！

在犹他州鹿谷工作的Super Wizzard造雪机

在本文中，我们将研究这些雪枪，了解它们的工作原理、它们能够完成的工作，以及如何使用它们来创造理想的滑雪条件。这样，在下一次滑雪时，您将十分清楚这些完美的雪来自何处！

雪是如何形成的？

人们对机器造雪有一种普遍的看法，认为这样的雪不够自然。但事实并非如此，这种雪与从天上落下来的雪并没有任何差别，唯一的不同之处在于，这种雪是由机器而不是天气条件制造的。虽然机器的工作方式与天气系统截然不同，但所完成的工作却完全相同。为了弄清机器制雪的工作原理，我们不妨先来了解一下在自然条件下雪是如何形成的。

雪来自于大气中的水汽。当大气中的水汽（气态的水）温度降至冷凝点时（从气态转变为液态或固态），就形成了云。云层中的水滴很轻，大气中的空气足以让它们停留在空中。如果水滴变得过重，就会以降水的形式下落。当温度低到一定程度时，水蒸汽就不会冷凝成液态水滴，而是形成微小的冰晶。在世界上大多数地区，雨通常以雪的形式开始下落，但在大气中下落的过程中，雪会融化（在云层这样的高度会非常冷，即使在夏季也是如此）。

奇怪的是，水不会在“冻结温度”（摄氏0度）下自动结冰。纯水只有冷却到一个更低的温度（如华氏-40度/摄氏-40度），才会失去足够的热能并转变形态。不过，云层中的水的确通常在摄氏0度的情况下结冰，这都是成核剂的作用。成核剂是一种自然形成的物质，有助于水分子结合。它会吸引水分子，从而将水分子所含的热能降到可以形成冰晶的临界点。雪晶中的成核剂只是一些灰尘、细菌和其他悬浮在大气中的物质。水在成核剂上凝结后形成雪晶的核心（中心）。

随着雪晶在云层中四处移动，会有更多的水粒子凝结到上面并冻结为晶体。各个晶体的集合就形成了雪花。雪花在逐渐变重之后会落向地面。如果在整个下落过程中温度一直都很低，那么雪花在到达地面时将仍处于冻结状态。

人造雪

在上一部分中，我们看到，水汽在温度低到一定程度时就会凝结（通常围绕着成核剂凝结），并变成冰晶，从而形成了雪。因此，制雪要满足的主要条件是水和低温。

如果将某些成核剂加到水中，会有助于这一过程。水中已经含有很多可以作为成核剂的物质，但是增加成核剂的数量仍是一个好主意，因为这样可确保更多的水滴在落到地面之前就凝结。一种名为Snowmax的天然蛋白质是使用得最广泛的成核剂之一，它吸引水分子的效果特别好。

传统类型的雪枪通过将冷却水和压缩空气结合起来的方式制造水滴。在雪坡上，您会注意到这些雪枪连接到两条不同的软管上，这两条软管又分别连接到空气站和水龙头上。水龙头再连接到两条在雪下甚至地下铺设的管道上。一条管道从湖、池塘或水库中抽水，另一条则从一个空气压缩机中抽取高压空气。

压缩空气主要有三个作用：

它会将水雾化——也就是说，破坏水流，使之变成很多小水滴。

它会将水滴吹到空气中。

它可在水滴飞入空气中时对其进行冷却。

最后一步是使用压缩空气的一个附带好处。当压缩空气时，不同的空气粒子会被紧紧地压在一起，这意味着它们不能像以往那样四处运动了。当释放空气时，空气粒子会散开，它们可以更自由地移动。这意味着粒子需要使用更多的能量，它们会从周围区域吸收热量，从而冷却水滴周围的空气。

另一种常见的制雪机称为无压缩空气雪枪。无压缩空气雪枪使用简单的喷嘴（类似于家用喷雾瓶上的喷嘴），将水雾化成细水雾。然后通过强力风扇将小水滴吹到空气中。这种设计的主要优势在于，您不需要将雪枪与压缩空气供应装置相连，只要提供水和电源就足够了。还有一些雪枪设计实际上利用了高速风扇来使水雾化。

Kid Wizzard无压缩空气雪枪

水从液态变为固态要释放很多能量，您必须将它的熔解热除去。熔解热是将冰转换为摄氏0度的液态水所必需的大量热能。如果温度低到一定程度，外界的自然条件将足以使水结冰，但如果外界温度只比冻结点稍低，则需要额外的部件来加速这一过程。有些制雪机有专门的冷却装置，可以在自然条件的温度还没有低到足以完成这项工作时加速冻结过程。

为了使水在落到地面之前有足够的时间冻结，很多滑雪场都利用雪枪塔来造雪。它们只是一些结实的杆柱，用于将雪枪升至雪坡上方。这种装置的另一个优势是，雪枪对滑雪者的干扰会更小一些。由于雪是从上方落下来的，人们会感觉就像自然下雪一样。

安装在塔上的Super Wizzard雪枪

在大多数滑雪场，工人会首先堆积一大堆人造雪，然后利用雪道整理设备将雪铺到雪道上。雪道整理机实际上就是拖拉机，只不过它的履带很宽，可以将雪摊开，并压挤雪地，使雪干燥并变成粉状。对于滑雪场而言，定期整理雪道是制雪过程的一个基本组成部分。

制雪条件

正如我们所看到的，制雪机的主要任务是完成大气中成雪云层所做的工作。这些机器并非在任何条件下都能完成造雪工作，它们需要合适的地面天气，就像自然界的雪也需要合适的地面天气才能落到地面并堆积起来一样。为了判断制雪时机，并确保雪的类型正确，滑雪场需要依赖经验丰富的制雪机操作员，这些人通常被称为制雪工。

那么制雪工如何确定条件是否合适呢？事实上，他们需要的信息远非普通温度计所能提供。标准温度计测量大气的干球温度；但是降雪条件中最重要的因素是湿球温度。

湿球温度是干球温度和相对湿度（空气中的水汽含量）的一个函数。液态或固态水通过将一些水蒸发为水汽来冷却自身。蒸发会释放热量，从而降低水中的能量水平。如果大气中水汽过多，则水或雪的蒸发作用就会减弱，因为空气中的水汽已经相当饱和了。因此，在湿度较高时水冷却的速度会比较慢，而湿度较低时水冷却的速度会加快。

维吉尼亚Wintergreen Resort的一名制雪工在检查空气雪枪

根据这个道理，湿度可谓是确定降雪条件的一个非常重要的因素。如果湿度低到一定程度，那么即使干球温度比冰冻温度高几度，也可以得到雪。如果相对湿度为100%，则湿球温度和干球温度将完全相同。但此时，即使湿球温度和干球温度均为冰冻温度，得到的也可能是水而不是雪，这是因为空气中的饱和湿度大大减缓了冷却过程。

如果温度在摄氏-1度左右，则需要很低的相对湿度（不到30%）才能得到合适的制雪条件。如果温度不到摄氏-6.7度，即使相对湿度为100%，您也可以轻松制雪。摄氏-10.6到-7度是制雪的理想温度。

制雪工艺

我们已经看到，雪枪的基本原理相当简单。不过实际的制雪工艺要复杂一点。湿球温度需要低到一定程度，制雪工必须仔细平衡水和空气的水平，以获得想要的结果。

有各种类型的雪。这些雪之间的主要区别在于，一定体积的雪中所含水量的多少。制雪工经常谈到干雪和湿雪。干雪的含水量相对较少，因此干雪非常轻，并呈粉状。这种类型的雪非常适合滑雪，因为滑雪板可以轻松地从雪上滑过而不会陷在湿泥中。

新西兰的Super Wizzard雪枪

使用制雪机的一个优势在于，可以确保雪坡表面上总是这种理想的粉状雪。不过，湿雪也在滑雪坡道中扮演着一个重要角色。滑雪场的经营者利用这种较为稠密的雪在铺好的雪道上积累雪的高度。许多滑雪场一年内会采用这种方式一到两次来积累雪的厚度，并在整个冬季定期用一层干雪铺设雪道。

雪的密度或湿度取决于外界的温度和湿度，以及雪枪发射出的水滴尺寸。制雪工必须调整雪枪中水和空气的比例，以根据户外天气条件制造出完美而均匀的雪。由于滑雪坡道上不同位置的温度和湿度水平可能会有显著的差别，因此制雪工必须对每台机器做出相应的调整。

随着新技术的引进，近期这个过程变得稍微容易了一些。现在，许多滑雪坡道利用一个中央计算机系统来控制雪枪，该系统与坡道上的所有天气状况监测站相连。计算机根据给定的温度和相对湿度来确定雪和空气的最佳混合比。当然，这些系统并非总能获得正确的混合比，但它们是很不错的制雪辅助设备。

人造雪的其他应用领域

制雪机应用范围最广的市场是滑雪业。但人造雪还有许多其他用途。例如，制雪机在许多电影制作中扮演着重要角色。电影制作者经常要花几个月的时间来拍摄只在几天内发生的场景。如果电影情节在一个下雪的背景中展开，布景师则需要为每天的拍摄布置合适的雪量。根据具体天气情况，这可能意味着融化自然雪或者增加人造雪。

人造雪在农业生产中同样占有一席之地。一层覆盖良好的雪会阻止土地的热量大量散发到空气中，因此农民经常利用雪作为冬季农作物的保温层。即使温度降至摄氏零度，隔离效应也能保证农作物不会被冻坏。

人造雪的另一个用途是测试飞行器设备。由于飞机在大气中飞得很高，它们必须能够承受寒冷且多雪的天气条件。飞机设计师们利用制雪机来测试飞机设备在这些条件下的性能。

小型制雪机和人造雪服务也有消费市场。有些房主愿意在圣诞节期间花几百美元让自己的院子和屋子铺上一层令人赏心悦目的白雪，或者只是为了给孩子们一次特别的奖励。真心想让院落里散满皑皑白雪的人可以购买私人制雪机。这些型号的制雪机的价格通常为数千美元，可连接到普通的花园水管和标准电气插座上。与滑雪坡道上的制雪机一样，这类制雪机也需要消耗大量的水和电能；但它们很容易操作。

制雪成本

要想利用人造雪覆盖多条滑雪道，您需要大量的水。根据SMI Snow Makers提供的资料，需要大约285,000升的水才能为61米x61米的区域铺上15厘米厚的雪。一个大型滑雪坡道中的制雪系统每分钟可将18,927至37,854升的水制成雪！

对于滑雪场来说，水的成本并不算巨额开支，抽取这么多的水对环境的影响也不是很大。大多数滑雪场从位于低处的一个或者多个蓄水池中抽水。从坡道上流下的水会返回到这些蓄水池中，因此滑雪场实际上是在反复利用同样的水。但是造雪用水到处流动会对动植物造成一些不利的影响，因此滑雪场必须努力确保水位相对平衡。

电力消耗是一项重要的环境考虑因素，也是滑雪场最大的开支之一。如果为坡道造雪的雪枪使用的是压缩空气，则必须提供大量的能量来驱动大型空气压缩泵。此外，还需要一个泵系统来为制雪机供水。这些泵通常由柴油发动机驱动，而柴油发动机会造成大量的空气污染。

使用无压缩空气雪枪的滑雪场同样需要大量的电能来驱动机器的风扇。虽然这类雪枪每制造0.3米雪所消耗的能量要少得多，但它们仍然是主要的耗能机器。对于大多数滑雪场来说，电力消耗在所有开支中位居第二位，仅次于人力成本（仅制雪这一项就需要许多人力）。不管滑雪场采用什么样的技术，制雪在能耗中所占的比例都是相当高的。

维吉尼亚Wintergreen Resort中的空气雪枪在为坡道铺雪

由于制雪费用高昂，滑雪场必须制定一种合理的策略，确定使用这些机器的时间和地点。制雪过程中涉及的大量工作的目的是在机器运行成本和滑雪季节延长所带来的效益之间取得平衡。高效的制雪工可确保机器在没有带来任何效益的情况下不会浪费电能来制雪，并且只在雪可以保留下来时才造雪。

正如我们所看到的，制雪工必须将许多变化因素考虑进去，才能使坡道拥有理想的滑雪用雪。人造雪的原理极其简单；但是让机器高效工作确实需要非常娴熟的技术。许多制雪工将这项工作描述为科学与艺术的一个富有挑战性的结合——基本要素是精确的气象测量和昂贵的机器设备，但您还需要直觉、随机应变的能力和创造力才能把工作做好。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/8b10bc0402020740be1e9b3d.html