4 – PRINCIPE DE FABRICATION DE LA NEIGE DE CULTURE

4.1. - LES DIFFÉRENTES PHASES 

Le but de ce chapitre est de définir et de décrire les principes physiques connus à ce jour pour la fabrication de la neige de culture.
Le moyen le plus courant de fabriquer de la neige, en dehors de la glace pilée produite, est de projeter des gouttelettes d’eau dans l’air ambiant à température négative en respectant certaines conditions.
La transformation de l’eau en neige ou congélation se décompose en plusieurs séquences :

• Atomisation ou fragmentation,

• Nucléation,

• Insémination,

• Dispersion,

• Evaporation,

• Convection.

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4.1.1 - Atomisation ou fragmentation

La première étape dans la transformation de l’eau en neige est l’atomisation du jet d’eau en fines gouttelettes dont la taille permet la cristallisation en glace dès qu’elles sont projetées dans l’air ambiant à température négative.

Bien entendu plus la taille des gouttes est élevée plus la congélation est difficile, à l’opposé plus les gouttelettes sont fines plus le phénomène est rapide, mais le contrôle de leur dispersion dans l’air sera plus délicat.

Le diamètre  courant de gouttelettes varie de 0,2 à 0,8 mm.

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4.1.2 - Nucléation

La nucléation est la formation en parallèle de microcristaux de glace (noyaux de nucléation) qui serviront à inséminer les gouttelettes d’eau à la sortie de l’enneigeur.

La formation de ces noyaux de nucléation se fait à travers les étapes suivantes :

• mélange air/eau sous pression avec une très forte proportion en air dans la chambre d’un nucléateur ;

• expulsion et fragmentation du mélange par un orifice finement calibré du nucléateur ;

• détente brutale de l’air qui provoque un fort refroidissement ambiant en sortie du nucléateur ;

• cristallisation immédiate à température négative des particules d’eau formant ainsi des noyaux de nucléation.

 

4.1.3 - Insémination

La troisième étape, après l’atomisation et la fabrication de noyaux de nucléation est la transformation des gouttelettes en grains congelés.

L’insémination est la rencontre du flux de nucléation et du flux d’eau principal atomisé.

L’eau pure ne congèle pas naturellement à 0° C, mais plutôt autour de – 8° C à – 12 ° C.

L’insémination occasionne le déclenchement de la congélation en rompant l’état d’équilibre de l’eau en surfusion et permet ainsi de ramener le seuil vers – 2° C humide.

Le résultat obtenu pourra être optimisé selon la turbidité et température de l’eau et éventuellement par l’injection de protéines végétale.

 

4.1.4 - Dispersion

La quatrième étape après l’insémination est la dispersion des particules dans l’air ambiant froid permettant à l’eau de se transformer en glace avant de tomber sur le sol.

La dispersion est obtenue de différentes façons :

•    Détente d’air comprimé,

•    Flux d’air d’un ventilateur,

•    Détente d’eau à forte pression,

•    Combinaison des 3 techniques ci-dessus.

Cette dispersion est nécessaire pour donner le temps à l’introduction de noyaux de nucléation (insémination) et permettre les différents échanges thermiques entre la goutte et l’air ambiant.

Trois éléments sont associés aux gouttelettes d’eau en dessous de 0 °C :

• la détente de l’air comprimé, ou la propulsion par le courant d’air d’un ventilateur,

• l’évaporation de gouttes d’eau refroidies,

• l’induction et la convection dans l’air froid ambiant,

 

4.1.5 - Évaporation

La cinquième étape à prendre en compte est l’évaporation.

Lorsque la gouttelette est projetée dans l’air ambiant, sa partie extérieure s’évapore en utilisant les calories contenues dans l’eau ce qui entraîne un abaissement de la température facilitant ainsi la congélation.

Bien sûr, plus l’air ambiant est sec, plus il y a d’évaporation facilitant la congélation.

L’importance de l’évaporation diminue lorsque la température de l’air extérieur s’abaisse.

 

4.1.6 - Convection

La sixième étape à prendre en compte est la convection. Cette étape caractérise l’échange de chaleur par contact entre l’air ambiant et l’eau.

Le processus complet se termine lorsque la gouttelette atteint le sol à l’état de glace à l’endroit souhaité.

 

4.1.7 - Croquis d’illustration

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4.2. - LES CONDITIONS ATMOSPHÉRIQUES 

Comme cela a été indiqué dans la section précédente, la fabrication de la neige de culture dépend étroitement des conditions de l’air ambiant que l’on détermine par les paramètres physiques suivants :

• La température (température sèche),

• L’humidité relative,

• La pression atmosphérique,

• Le vent (direction, force).

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Ces paramètres déterminent les conditions limites de la fabrication de la neige. Ils ne peuvent pas être modifiés mais doivent toujours être suivis et coordonnés dans le processus de fabrication.

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 Avant de développer l’influence des différents paramètres intervenant dans la fabrication de la neige il est important de rappeler les 3 états de l’eau et les énergies mises en jeu.

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1 : état vapeur : pour passer de l’état vapeur à l’état liquide et inversement (539 000 kcal/m3 eau) sont nécessaires.

2 : état liquide : pour passer de l’état liquide à l’état solide et inversement (80 000 kcal/m3 eau) (1) sont nécessaires.

• pour refroidir ou réchauffer 1 m3 d’eau de 1 °C (1 000 kcal/m3 eau) sont nécessaires.

• pour refroidir ou réchauffer 1 m3 de glace de 1 °C (500 kcal/m3 glace)  sont nécessaires.

 

4.2.1 - Température

En considérant un air ambiant saturé de vapeur, on peut dire que le principe de refroidissement se réalise par une convection directe de la gouttelette d’eau dans l’air ambiant froid.

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Ce transfert de chaleur, entraîne l’élévation de la température de l’air ambiant jusqu’à un maximum de 0 °C : on peut ainsi déterminer la quantité d’air nécessaire suivant le graphique N° 1.

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2 Exemples :

• à – 4 °C 62 000 m3 d’air extérieur seront nécessaires.

• à – 10 °C 25 000 m3 d’air extérieur seront nécessaires. 

 

4.2.2 - Humidité relative

Définition :

• Humidité : Quantité d’eau sous forme de vapeur contenue dans l’air.

• Humidité relative : C’est le pourcentage de la quantité de vapeur requise pour la saturation d’un volume d’air à une température et une pression définie.

(voir graphique N° 2).

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Ce graphique montre que plus l’humidité relative est faible, plus l’eau s’évaporera pour atteindre une saturation de l’air ambiant facilitant ainsi l’échange d’énergie.

 

4.2.3 - Température sèche

Définition : Grandeur mesurée avec un thermomètre, elle est exprimée en °K (degré KELVIN) au zéro absolu (- 273,15 °C) mais plus ordinairement en °C (degré CELCIUS) référencé à la température de fusion de la glace (0 °C).

En unité anglo-saxonne cette grandeur est exprimée en °F (degré FARENEIGHT).

 

4.2.4 - Température humide

Définition : C’est  une grandeur qui met en relation la température sèche de l’air et le pourcentage d’humidité relative contenu dans l’air, cette grandeur peut être mesurée avec un psychromètre (thermomètre humide) ou calculée.

On peut évaluer la température humide en utilisant le tableau N° 3.

 

4.2.5 - Pression atmosphérique

Définition : C’est le poids de l’air par unité de surface au niveau du sol il est exprimé en Hectopascal, en Millimètres de mercure ou en millibar.

Exp. : au niveau de la mer la pression atmosphérique est de 1013 mbar.

Le pouvoir de refroidissement de l’air diminue lorsque la pression atmosphérique s’abaisse, à l’inverse son pouvoir d’évaporation augmente.

Les deux influences s’équilibrent ainsi la capacité de refroidissement de l’air dépend essentiellement de l’évaporation et de la convection.

 

4.2.6 - Le Vent  

En synthèse nous pouvons dire que le vent affecte le processus de refroidissement de deux façons :

• en accroissant la quantité de l’air ambiant considéré,

• en augmentant la vitesse des transferts d’énergie.

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4.3 -  CROQUIS ET GRAPHES

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GRAPHIQUE N° 1                                                                                GRAPHIQUE N° 2