בחירה מבוקרת

בחירה מבוקרת

שסתום הבקרה הוא הרכיב החשוב ביותר והמורכב ביותר במעגל הבקרה ולכן בחירה נכונה שלו קריטית להצלחת מערכת מיזוג האוויר. כדי להבטיח את הבחירה האופטימלית נדרש ידע מקצועי והבנת תפקודה של המערכת ההידראולית במתקן.

מהנדס משה לייבה - קונטאל אוטומציה ובקרה בע"מ
מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר מותקנות בשיטות שונות ומגוונות ותפקידם לייצר סביבת נוחות לאדם ולמתקנים הדורשים סביבת אקלים מדודה ומבוקרת.
כדי לייצר ולספק סביבת נוחות זו בסביבת אקלים כשלנו, אנו משתמשים לרוב באנרגית קירור וחימום המופקת באמצעות מכונות ומועברת באמצעות צנרת או תעלות לכל צרכן על פי צרכיו בהתאם לפרמטרים של טמפרטורה ולחות יחסית הנקבעים על ידי גורם מרכזי, או שניתנים לשינוי על ידי המשתמש, לפי קריטריונים של נוחות מצד אחד וחיסכון באנרגיה מצד שני.
אחד הפתרונות המקובלים ביותר במתקני מיזוג אויר לקירור ו/או חימום הנו שימוש במים מקוררים או מחוממים המוזרמים ליחידות טיפול באוויר (יט”אות) שתפוקתם מבוקרת על ידי ויסות ספיקת המים באמצעות שסתומי בקרה ממונעים. הספיקה המבוקרת, תוך יצירת מפל לחץ על שסתום הבקרה, מסַפקת את האנרגיה לצרכן בצורה אופטימאלית תוך השמת דגש על יעילות וחסכון באנרגיה.
CN, EBHO ACVO המדיה המעבירה את האנרגיה לחימום או קירור הינה למעשה אוויר, אזי ויסות הספיקה נעשה באמצעות תריסים (דמפרים) ממונעים, אולם מאמר זה לא יתייחס לויסות ספיקות אויר, אלא לספיקות מים בלבד.
 
היצרנים המובילים של שסתומי בקרה מציעים כיום מגוון רחב של סוגים המאפשרים אופטימיזציה של עלות מול תועלת תוך התאמה לדרישות התכנון ותנאי המיתקן. חברת סימנס למשל, שנחשבת למובילה בתחום שסתומי הבקרה למיזוג-אוויר, מאפשרת בחירת פתרונות ברמות איכות/מחיר התואמים את דרישות התכנון בהתאם לחשיבות המתקן והתקציב בזכות מגוון רחב מאד של שסתומים ומפעילים מסוגים שונים כפי שמפורט בהמשך. 
 
בחירת שסתום הבקרה:
לשסתום הבקרה תפקיד קריטי לפעולתו התקינה של כל מתקן מיזוג האוויר. מצד אחד - הוא זה שמבצע את “העבודה השחורה” של מערכת הבקרה מול משתנים רבים (המפורטים בהמשך) ומצד שני תחזוקתו מורכבת מהיותו מותקן בתוך הצנרת מכוסה, בדרך כלל בבידוד תרמי.
בגלל תפקידם הקריטי מומלץ וחשוב מאד להסתמך בראש וראשונה על בחירה של שסתומים בעלי אמינות גבוהה ותחזוקה נמוכה. מגוון שסתומים רחב שמציע הספק מאפשר בחירה אופטימאלית במובן המקצועי והכלכלי תוך התאמה לנתוני המערכת ודרישותיה ההנדסיות, בהתאם לפרמטרים הבאים:
  • מיבנה השסתום: דו דרכי (2-way) או תלת דרכי (3-way) לפי דרישות התיכנון, וסוג השסתום בהתאם לאיכות הנדרשת ע”י המתכנן ועל פי היחס עלות–תועלת המבוקש (GLOBE, כדורי, או פרפר).
  • מידת השסתום ומקדם KVS (או CV) שלו - המבטא את יכולת השסתום להעביר את הספיקה הנדרשת תוך יצירת מפל לחץ רצוי, עמידה בלחץ הסטטי של המערכת ההידראולית.
  • חומר גוף השסתום (ברזל יציקה, ברונזה, פליז, או פלדה)
  • חומרי החלקים הפנימיים (בד”כ פליז או פלב”מ)
  • אופן החיבור לצנרת: הברגה (עד מידה של “2 / DN50), או אוגנים.
  • תפוקת הכוח (או המומנט) של המפעיל הדרוש על מנת להתגבר על הפרש הלחצים בצנרת כשהשסתום במצב סגור (CLOSE-OFF RATING). 
  • בחירת אופיין זרימה ומהירות התגובה של המפעיל בהתאם לדינמיקה של התהליך ומהירות השינוי של התנאים באזור הממוזג.
  • חומרי מבנה של השסתום לפי סוג הזורם (מים, קיטור, נוזלי קירור מיוחדים). 
  • הקטנת רעשים וכו’.
 
השילוב בין המגוון הרחב של שסתומי הבקרה מסדרת Acvatix™ הידועה ועתירת הניסיון ובין תוכנת החישוב והבחירה של חברת סימנס מאפשר בחירה אופטימאלית, מדויקת וזריזה של השסתום הנכון לאפליקציה הספציפית.
 
חישוב מידת השסתום:
בחירת המידה הנכונה של השסתום היא חשובה ביותר להצלחתו של מעגל הבקרה כולו. שסתום במידה גדולה מהדרוש יקטין מאד את דיוק הבקרה ובמקרים מסוימים אף לא יוכל לבצע את ויסות הספיקה כראוי (במרבית המקרים תהיה גם  עלותו הכספית גבוהה יותר שלא לצורך).
שסתום במידה קטנה מידי לא יאפשר את העברת הספיקה הדרושה ובכך יקטין את תפוקת המתקן כולו.
חישוב השסתום (לבקרת נוזלים בלבד) מתבסס על חישוב ערך מקדם הספיקה KVS הנדרש לפי נוסחא פשוטה הכוללת 3 פרמטרים: הספיקה המרבית המתוכננת [Q - ביח’ מ”ק/שעה], הפרש הלחצים על השסתום בהתאם לתנאי התכנון [P∆ - ביח’ bar] והמשקל סגולי של הזורם δ– גרם/סמ”ק, מים=1).
במונחים מילוליים: מקדם KVS משמעותו היא ספיקת הנוזל במ”ק/שעה שיעברו דרך השסתום כאשר הפרש הלחצים P∆  (P1-P2=) עליו הוא 1 bar. (ביחידות אמריקאיות-בריטיות המקדם נקרא CV ומשמעותו המקבילה היא כמות המים ב-GPM, בהפרש לחצים של 1psi)
 
את ערכו של ה-KVS המחושב (או CV כאמור לעיל) משווים מול טבלאות ה-KVS של השסתומים בדפים הטכניים של היצרן. 
כלל אצבע לבחירה: במידה ואופיין הזרימה של השסתום הנבחר הוא לוגריתמי (Equal Percentage), אזי ה-KVS של השסתום צריך להיות גבוה בכ-50% מזה המחושב. במידה ואופיין הזרימה הוא ליניארי ה-KVS יהיה גבוה בכ-25% בלבד. יש לציין שניתן בהחלט גם לבחור שסתומים שההפרשים קטנים יותר.
כלל אצבע נוסף: שסתומי GLOBE יהיו בד”כ במידה אחת קטנה יותר מקוטר הצנרת ומידתם של שסתומים כדוריים תהייה קטנה בשתי מידות מקוטר הקו. שסתומי פרפר ל-ON/OFF יבחרו כקוטר הקו, ללא קשר ל-KVS שלהם.
 
מפעיל השסתום:
מפעיל השסתום (Valve Actuator) ממיר את סיגנל הבקרה לתנועה מכנית - קווית או סיבובית - המניעה את סגר השסתום (valve Plug) מול התושבת (Seat Ring)  באמצעות מוט או ציר השסתום Valve Stem) or Valve shaft) ובכך מבוקרת הספיקה הנפחית העוברת דרך השסתום בתחום של 0%-100% של פתיחת השסתום.
עקרון פעולתם של מפעילי השסתומים לבקרת מיזוג-אויר הוא אלקטרו-מכני, או אלקטרו-הידראולי. בבקרת תהליכים תעשייתיים עדיין מקובל מאד השימוש במפעילים פניאומטיים המבוססים על עקרון דיאפרגמה מול קפיץ. מרבית מפעילי שסתומי הבקרה הם מסוג בקרה רציפה (continuous) המופעלים באות (סיגנל) פיקוד של 0-10 Volt DC, ומתח הזנה של 24Volt AC. במידה והיישום דורש זאת, ניתן לספק גם מפעילים מסוג ON/OFF לשסתומים דו-מצביים פתוח או סגור.
לאחר שבחרנו את השסתום המתאים, יש לבחור את המפעיל המתאים לו. אם היצרן לא מאפשר חלופות, אזי יש לוודא שתפוקת הכוח (למפעיל קווי), או המומנט (למפעיל סיבובי) של המפעיל המוצע מַסְפקת כדי להתגבר על הפרש הלחצים המרבי הנוצר על השסתום כשהוא במצב סגור. ערך זה הנקרא Close-off Rating, מצויין בנתונים הטכניים לכל סוג ולכל מידה של שסתום.
ניתן לקבל ממרבית היצרנים מפעילים המצוידים בקפיץ מחזיר - שתפקידו להבטיח את מצב השסתום המועדף (בדרך כלל מצב סגור) בעת הפסקת חשמל או תקלה כשסיגנל הבקרה הוא 0 VDC. מפעיל ללא קפיץ מחזיר יותיר את השסתום במקומו האחרון בעת הפסקת אות הבקרה.
מפעילים מודרניים כדוגמת אלו של חברת סימנס, מצוידים באפשרויות שונות המשפרות את איכות הבקרה, כדוגמת שינוי אופיין הזרימה של השסתום באופן אלקטרוני, אספקת סיגנל רצוף (0-10 VDC) על מצב הפתיחה של השסתום וכדומה, וכמובן אפשרות פתיחה ידנית של השסתום - אפשרות חשובה ביותר בעת תקלה במערכת הבקרה, או לצרכי תחזוקה.
 
סוגי שסתומים:
שסתומי GLOBE:
אלו שסתומים במבנה הקלאסי המוכר. הם מאופיינים בגוף שבתוכו מותקנת תושבת שכלפיה נע  הסגר (Plug) הנדחף על ידי המפעיל, כאשר המרחק ביניהם קובע את מידת פתיחתו של השסתום ואת הספיקה העוברת דרכו. שסתומים מסוג זה הם המדויקים ביותר והעמידים ביותר לאורך זמן ונחשבים בצדק לאיכותיים ביותר בין כל סוגי שסתומי הבקרה הקיימים. שסתומים אלו גם נוחים מאד לבידוד טרמי ומאפשרים ויסות יעיל גם בספיקות נמוכות מאד.
חברת סימנס מציעה מגוון רחב מאד של שסתומי : 
GLOBE דו ותלת-דרכיים במידות של “1/2 עד “6  (ND15 - ND150), גופים עמידים בלחצים סטטיים של עומד מים שבין PN10 ל-PN40, חומרי מבנה שונים כגון פליז, ברזל יציקה מודולארי ופלדה עם אופציה לתושבת מקטינת רעשים, אפשרות לגוף חימום לנוזלים בטמפרטורות נמוכות של עד Cº25- ועוד. לשסתומים אלו גם מוצע מגוון מפעילים שמכסים את כל הדרישות הקיימות במערכות מיזוג אוויר.
      
שסתומים כדוריים (Ball Valves):
בשנים האחרונות נפוץ השימוש בשסתומים כדוריים לבקרת מים במתקני מיזוג-אוויר בזכות עלותם הנמוכה יחסית הודות למבנה הפשוט שלהם ולשימוש במפעילים מסוג מפעילי תריס (Damper Actuators). בשסתומים כדוריים נהוג להשתמש בספיקות של עדgpm  90 במידות של עד “2 (DN50), בחיבורי הברגה לצנרת.
השסתום נקרא “כדורי” כי ויסות הספיקה נעשה באמצעות כדור, או מקטע כדורי, הסובב בתוך השסתום וחושף, תוך כדי סיבובו, מיפתח ההולך וגדל (או קטן) שדרכו עובר הזורם. תנועת השסתום מפתוח לסגור היא של º90.
פרט למחירם הנוח, יתרון נוסף של השסתומים הכדוריים הוא ערכי ה-KVS הגבוהים שלהם, בזכות החשיפה של מלוא קוטר המפְתַח הכדורי בעת פתיחה מלאה של השסתום .
גופי השסתומים שסימנס מציעה עשויים פליז ומיועדים ללחץ סטטי של עד bar 40, ה-TRIM הכדורי עשוי פלב”ם ותחום המידות 1/2” עד 2”.
מפעילי השסתומים הכדוריים הם בעלי מומנט הפעלה של 2 עד 10 ניוטון-מטר והם מותאמים במיוחד למידת השסתום ומפל הלחץ המרבי המאפיין אותו .
תודות לתכונות האופי ומבנה השסתום, מקדם ספיקת השסתום הכדורי (Kvs) גבוה במידה ניכרת מול זה של שסתום סטנדרטי באותה מידה. מאידך, להתאמה טובה לתנאי הזרימה, ניתן לקבל ערכי KVS שונים לאותה מידת שסתום.
לדוגמא: שסתום בקוטר “3/4 (ND20) ניתן לקבל עם ערכי  Kvs של 4, או 6.3 או 10.
שסתום בקוטר של “2 ניתן לקבל עם מקדם Kvs  של 63 .
לשם השוואה בשסתומים אחרים ניתן לקבל מקדם זה רק בקוטר שסתום של “2.5 או “3.
תכונות עיקריות: 
דו ותלת-דרכי - PN40.
מידות “1/2 עד “2, חיבורי הברגה.
טמפרטורות זורם שבין C° 1  ל- C° 120 .
מקדמי ספיקה:  Kvs (m³/h) = 1÷63 
מפעילים סיבוביים עם פתיחה ידנית ואפשרות לקפיץ מחזיר. 
אמינות גבוהה.
מחירים מאד תחרותיים.                           
 
שסתומי פרפר (Butterfly Valves):
שסתומי פרפר מאופיינים במבנה פשוט שממנו נגזר יתרונם הגדול הבא לידי ביטוי במחיר מאד נוח מצד אחד, וזמינות במידות גדולות מאד מצד שני. שסתום הפרפר בנוי מפלטה עגולה (Valve Disc) שקוטרה בדרך כלל כקוטר הצנרת שבה מותקן השסתום שנעה בתנועה סיבובית בטווח שבין 0 ל-º90, בתוך צילינדר (המהווה חלק מגוף השסתום) המותקן בין אוגני הקו של הצנרת. 
הדיסק המונע על ידי מפעיל השסתום באמצעות הציר (Shaft) בין מצב אנכי לצנרת שבו השסתום סגור לבין מצב מקביל לציר הצנרת שבו השסתום פתוח לחלוטין. על מנת להבטיח אטימה מוחלטת של השסתום במצב סגירה, מְדוּפָּן הצילינדר, בדרך כלל, בחומר רך הנקרא ליינר (Liner), שעשוי מסוג של גומי טבעי או סינתטי. הדיסק נכנס לתוך הליינר במצב סגירה ומבטיח אטימה מוחלטת של הקו. רמת הדיוק של בקרת הספיקה באמצעות שסתומי פרפר היא נמוכה ולכן משתמשים בסוג זה לבקרת ON/OFF ולא לבקרה רציפה. לעיתים נדירות, כאשר נדרש לבקר ספיקות מים גדולות מאד, משתמשים בשסתומי פרפר גם לבקרה רציפה, זאת בזכות מחירם הנמוך יחסית לעלות הגבוהה מאד של שסתומי GLOBE במידות הגדולות.
כמו בשסתומים האחרים, גופי שסתומי הפרפר מסופקים בחומרי מבנה שונים, המיועדים ללחצים סטטיים נתונים. חומרי הדיסק הם פלדה או פלב”ם. מבנה דיסק צורתי מקטין את ההתנגדות לזרימה, ושימוש בסוגי גומי שונים מאפשרים עמידות בטמפרטורת שונות. קיימים מפעילים שונים עם תפוקת מומנט בהתאם לדרישות המתקן.
סימנס מספקת כיום דגמים שונים של שסתומי פרפר במידות של עד “24 (ND60), עם מגוון ליינרים ומפעילים לבקרת ON/OFF, או בקרה רציפה עם אפשרות לפתיחה וסגירה ידנית.
 
שסתום הבקרה הוא הרכיב החשוב ביותר והמורכב ביותר במעגל הבקרה ולכן בחירתו הנכונה היא קריטית להצלחת המתקן כולו. מעצם טבעו ואופן התקנתו הוא מהווה את הרכיב המורכב והבעייתי ביותר להחלפה במקרה של אי תפקוד. לכן, בחירה נכונה של שסתומי הבקרה במתקן היא הכרחית. ללא ספק, נדרש ידע מקצועי והכרת המערכת ההידראולית במתקן על בורייה כדי להבטיח בחירה נכונה. מומלץ מאד להיעזר בחומר הטכני ובכלים הממוחשבים לבחירת השסתומים ומפעיליהם שהספקים כדוגמת סימנס, מציעים.
כתבה זו אינה מתיימרת לספק את כל הכלים הדרושים למתכנן או למהנדס החברה הקבלנית המבצעת לבצע בחירה אופטימאלית, אך, כך אני מקווה לפחות, נותנת הצצה לפתרונות הקיימים בשוק ומתווה את הדרך לבחור אותם באופן מקצועי ובעלות הכלכלית ביותר. 
 
 
 
 
 










פי.סי.חץ