הארץ המובטחת

הארץ המובטחת

כיצד להגיע לנצילות מירבית בצ'ילרים עם מדחסי טורבוקור?

בועז ממן – מנכ"ל משיק

לאחר מספר שנים של ניסיון מוצלח מאוד בשיווק עשרות צ'ילרים מתוצרת AXIMA גרמניה ללקוחות בארץ, ובעקבות פניות רבות שאנו מקבלים (כולל במהלך תערוכת ACLIMA 2009), ראינו לנכון לשפוך אור על מספר מרכיבים חשובים ביותר אשר חייבים להיכלל בצ'ילר על מנת להגיע לתוצאות המעולות מהן נהנים לקוחותינו:
עצם רכישת צ'ילר כלשהוא המבצע את פעולת הדחיסה באמצעות מדחס מסוג DANFOSS TURBOCOR איננה מספיקה על מנת לקבל את היתרונות הגדולים הגלומים במדחס זה.
נצילותו הגבוהה של המדחס (כמו גם יתרונות נוספים רבים) יכולה להתקבל רק אם נתייחס לצ'ילר כמכלול ונבנה אותו כך שיאפשר למעלותיו לבוא לידי ביטוי.
מדחס TURBOCOR מספק לנו מספר יתרונות מהותיים, בין השאר:
1. עבודה ללא שמן
2. יכולת פריקה והעמסה ליניארית ע"י שינוי מהירות
3. תגובה מהירה ויעילה ביותר לעומסים משתנים
4. נצילות גבוהה ביותר בעומסים חלקיים
5. נצילות גבוהה בעומסים מלאים

אולם, וכאן הנקודה החשובה, על הצ'ילר כולו כמכלול מוטלת האחריות לאפשר למדחסים לפעול בצורה מיטבית. ניתן כמובן להשתמש בתכנון קיים של צ'ילר קונבנציונאלי ולשתול בתוכו מדחס TURBOCOR, אולם אז לא ימוצו יכולותיו של המדחס ובוודאי שלא יושגו נתוני הנצילות שבגינם אנו בוחרים בצ'ילרים אלה.
1. עבודה ללא שמן:
רכיב זה קיים בכל הצ'ילרים המיוצרים עם המדחס הנדון, אולם תכונה זו לבדה אינה המטרה העיקרית בשימוש במדחס זה. למרות זאת, עצם העובדה שאין שמן בצ'ילר, וכמו כן אין חיכוך של רכיבים מכאניים היוצר חום ומגדיל את הפיכות המחזור, משפרת מיידית את נתוניו (תפוקה/נצילות) בכ 20%.

2. יכולת פריקה והעמסה ליניארית על ידי שינוי מהירות:
נתון בסיסי חשוב אשר יש להבין ולזכור הוא כי בקר הצ'ילר איננו קובע כיצד יבצע המדחס את פריקת העומס שלו. בקר הצ'ילר מעביר פקודות 'פרוק' / 'העמס' אל המדחסים, כאשר עצם ביצוע פעולות אלה מפוקחות אך ורק על ידי בקר המדחס עצמו, ללא כל אפשרות מצד יצרן הצ'ילר להתערב בתהליך.
מדחס TURBOCOR פורק / מעמיס בשתי דרכים:

הדרך הראשונה: שינוי מהירות המאיצים (IMPELERS) המורכבים בקצה הציר אשר בצדו השני הוא למעשה רוטור המנוע החשמלי (שינוי מהירות המנוע גורם לשינוי הספיקה הנפחית של הקרר, ולויסות תפוקת הקירור).

הדרך השנייה: פתיחה / סגירה של להבי פתח היניקה (INLET GUIDE VANES).

נתון חשוב נוסף הוא העובדה כי היחס בין הורדת מהירות סיבובי המנוע לבין הירידה בצריכת האנרגיה של המנוע הוא בחזקה שלישית (יחס דומיות בטורבו מכונות), כלומר: ירידה של 10% בסיבובי המנוע תביא לחיסכון של 30% בצריכת האנרגיה של המנוע בתנאים נתונים.
מכאן ברור כי עדיפה פריקת עומס על ידי שינוי המהירות ולא על ידי סגירה / פתיחה של ה IGV.

על יצרן הצ'ילר לדאוג לתנאים אשר יאפשרו למדחס לפרוק על ידי הורדת מהירות הסיבוב של המנוע ולא על ידי סגירת ה IGV. הדרך לבצע זאת היא לאפשר ללחץ העיבוי לרדת מתחת לקו ה CHOKE, תוך שמירה על יחס בין לחצי היניקה והדחיסה (PRESSURE RATIO) גבוה מספיק על מנת שלא לרדת מתחת לקו ה-SURGE.

בתיאור ציורי, קו ה CHOKE הוא הקו המתאר את המהירות המינימאלית הנדרשת מהמאיצים להסתובב על מנת להתגבר על לחץ הדחיסה ולייצר את 'העברת' הגז מהמאייד אל המעבה. עבודה מעל לקו ה-CHOKE (לחץ עיבוי גבוה מדי למהירות סיבוב נתונה) לא מאפשרת למדחס לדחוס ולמעשה הגז עובר 'מעל' המאיצים בחזרה אל המדחס.

המשמעות: במידה ולא ירד לחץ הדחיסה (עיבוי), הרי שהמדחס לא יוכל לפרוק על ידי הורדת מהירות הסיבוב ויהיה חייב לסגור את ה IGV, מה שכמובן ישפיע לרעה על הנצילות.

באותה הדרך נתאר את קו ה-SURGE כקו המתאר את המהירות המקסימאלית המותרת כאשר לחץ היניקה נמוך יחסית, מהירות אשר אם נעבור אותה נייצר לחץ נמוך מדי במאייד – מה שעלול להביא למצב של יניקת קרר במצב נוזלי אל המדחס (זו, אגב, הבעיה העיקרית של מדחסים צנטריפוגליים סטנדרטיים אשר לא מיועדים מכאנית להוריד את מהירויות הסיבוב שלהם).

על מנת לשלוט בלחץ העיבוי ולווסתו כך שיהיה אופטימאלי בכל נקודת עבודה, יש לכלול בצ'ילר שלושה רכיבים עיקריים:

א. מערכת שינוי תדר במנועי מפוחי המעבים המשמשת כמערך בקרה ללחץ העיבוי, בעיקר בתפוקות חלקיות ובטמפרטורות חוץ נמוכות.
ב. שסתום התפשטות אלקטרוני רציף בעל טווח פתיחה רחב ככל האפשר, המשולב אינטגרלית בבקרת ה PID של הצ'ילר (בנתון זה נדון בהרחבה בהמשך).
ג. מד גובה נוזל על המאייד (בצ'ילרים בעיבוי אוויר), המאפשר 'ניהול' כמות הקרר במאייד בצורה עצמאית וללא קשר כמעט לעומס על המדחסים, לטמפרטורות האיוד / עיבוי או לעומס על הצ'ילר. (גם נתון זה יפורט בהמשך).

מעבר לנ"ל, במהלך הפעלת הצ'ילר באתר הלקוח הספציפי בעל הדרישות הספציפיות, על ייצרן הצ'ילר לספק מערכת בקרה בעלת מגוון רחב ככל האפשר של פרמטרים לכיול והתאמה לכל מתקן ומתקן, וכמובן שעל המפעילים / מתחזקים להיות מיומנים מספיק לצורך מיצוי של יכולות אלה.


3. תגובה מהירה ביותר לעומסים משתנים:
כולנו יודעים כבר לדקלם את העובדה כי צ'ילר עם מדחסי TURBOCOR יעיל בצורה בלתי רגילה בתפוקות החלקיות. חשוב לזכור גם כי נצילותו תשתווה ואף תעלה על אלה של מדחסים בורגיים / בוכנתיים סטנדרטיים אף בעומס מלא(!)– במידה ותכנון הצ'ילר כולו מבוצע כראוי.
הנקודה החשובה ביותר היא, כי מערכת קירור / מיזוג אוויר היא תמיד דינאמית מאד ביחס לעומסים בכל רגע נתון. לאורך זמן, המהירות בה הצ'ילר 'מווסת' את עצמו לעבודה מול עומס נתון היא קריטית להשגת נצילות גבוהה במתקן כולו לאורך זמן.
שלושה רכיבים אחראיים במידה רבה על תגובות מהירות ועבודה בנצילות מרבית בכל רגע נתון:

א. שסתום ההתפשטות
ב. שליטה על גובה הנוזל במאייד ע"י מד גובה
ג. מערכת בקרה חכמה ומהירה מספיק על מנת לווסת בין שניהם

א. שסתום ההתפשטות:
נדמה כי מעולם לא הייתה חשיבותו של רכיב זה קריטית כל כך.
אם נתבונן בעבר, הרי שנעשתה כברת דרך טכנולוגית אדירה בתחום זה בשנים האחרונות, מהימים בהם בחרנו שסתומי התפשטות לפי ערך נקוב, הסתובבנו עם קופסאות מלאות בדיזות מגדלים שונים, כיילנו SUPER HEAT 4 פעמים בשנה וקיווינו לטוב.
כמעט ואין היום ייצרן צ'ילרים המכבד את עצמו  שלא משלב שסתומים אלקטרוניים במערכותיו. אולם האם הגענו לסוף הדרך? אז זהו, AXIMA מוכיחה (שוב!) שלא.
שסתום ההתפשטות היחיד אשר יוכל להביא את יכולות מדחסי TURBOCOR לידי מיצוי ויאפשר וויסות מהיר ומדויק של הצ'ילר תוך שניות, יהיה זה אשר יענה על התכונות הבאות:
- עבודה רציפה בצורה ליניארית מלאה (לא פולסים)
- מהירות תגובה מפתיחה מוחלטת לסגירה מוחלטת של השסתום תוך שניות
- פתיחה מקסימאלית מספקת להעברת כמות הנוזל הרצויה גם בלחץ נמוך מאד מצד העיבוי

שימוש במערכת שסתום/בקר נכונה מאפשר:
- הורדת לחץ העיבוי למינימום בעומסים חלקיים ע"י כך שפתיחתו המלאה מאפשרת את העברת הנוזל גם ללא 'עזרה' כמעט מלחץ העיבוי. אם נחזור ונתבונן בתחילת המאמר, נבין כמה חשובה עובדה זו ליכולת המדחסים לפרוק על ידי הורדת מהירות הסיבוב של המנועים, ועל ידי כך 'לזכות' בנצילות המעולה המאפיינת את הצ'ילרים של AXIMA.
- מעבר מהפעלת הצ'ילר לעבודה בעומס מלא תוך דקות ספורות. רק שימוש בשסתום הנכון יאפשר וויסות מהיר ועבודה רציפה לכל אורכו של גרף העומס. כמו כן, תגובה מהירה ביותר לירידת / עליית עומס תוך כדי עבודה, המסייעת ליציבות המתקן וחיסכון עצום באנרגיה.

ב. שליטה על גובה הנוזל במאייד על ידי מד גובה:
שליטה על גובה הנוזל במאייד (מוצף) קריטית לתפקוד נכון ויעיל של הצ'ילר. גובה נוזל נמוך מדי יגרום ללחץ האיוד (ואתו הטמפרטורה) לרדת, ובמקרים קיצוניים יביא לסכנת קפיאה.
גובה נוזל גבוה מדי בתפוקות החלקיות ישפיע לרעה על החלפת החום, ובמקרים קיצוניים עלול קרר נוזלי לחדור אל המדחסים.
קיימות מספר שיטות לשמירה על גובה נוזל נכון, כאשר הנפוצה היא בדיקת SUPER HEAT, קבלת המידע אל הבקר המבצע המרה של ה SUPER HEAT שהתקבל לגובה הנוזל הצפוי, וממנו פקודה לשסתום ההתפשטות לפתוח או לסגור בהתאם לצורך.
חסרונה של שיטה זו הוא בחוסר הדיוק, ובמקדמי הביטחון שייצרן הצ'ילר חייב לקחת בחשבון כדי להימנע מנזקים, וכמו כן באיטיות התגובה של הצ'ילר לעומסים משתנים.
בשיטה זו משתמשים בדרך כלל בשסתום התפשטות אלקטרוני עם STEPPER MOTOR, אשר מקבל בכל פעם פקודה לבצע מספר 'צעדים' בכוון מסוים ולעצור. לאחר מכן 'ממתין' הצ'ילר להתייצבות, דוגם שוב את ה-SUPER HEAT ונותן פקודה נוספת לשסתום ההתפשטות – וחוזר חלילה. כפי שתואר לעיל – שיטה זו איטית ביותר, וכעובדה, יבלה צ'ילר כזה את רוב זמנו כשהוא 'רודף' אחרי דרישת המתקן לעומס משתנה.

השיטה העדיפה ללא עוררין היא שיטת מד גובה הנוזל במאייד.
מד הגובה מעביר לבקר הצ'ילר, באופן רציף, מידע על גובה הנוזל האמיתי במאייד ומאפשר לו לפקד מיידית ובאופן רציף על שסתום ההתפשטות. מאידך, התגובה לשינוי בעומס מהמתקן היא של שניות בודדות, כאשר נשמרת תמיד עבודה בנקודה היעילה ביותר על הגרף.
יתרון מהותי נוסף הוא שבקר הצ'ילר 'יודע' בכל רגע נתון מהו גובה הנוזל האמיתי, ועל ידי כך יכול מתכנן הצ'ילר לצמצם את 'טווחי הבטיחות' בהגדרות היצרן לערכי העבודה של הצ'ילר. אחת התוצאות המידיות הן שצ'ילרים של AXIMA הפועלים בשיטה זו פועלים כשערך ה APPROACH שלהם (הפרש הטמפרטורות בין הקרר במאייד לבין המים היוצאים מהצ'ילר) עומד על 0.5 מעלות צלזיוס(!), וזאת בהשוואה לערך של 2-4 מעלות צלזיוס בצ'ילרים מקבילים. החלפת חום כזו עדיפה והיא מושגת גם הודות לתכנון נכון של מחליפי החום, שטח החלפת החום ואיכות  הביצוע הגבוהה ביותר של מחליפי החום של AXIMA – אולם גם על כך במאמר נפרד.

ג. מערכת בקרה:
זהו נושא רחב מימדים בהיקפו וגם הוא יכול לפרנס בכבוד מאמרים רבים.
שימוש ברכיבים איכותיים וחדשנות מחשבתית הן המפתח, אולם בראש ובראשונה עומדת מערכת הבקרה היודעת לפקח ולווסת את פעולת כל המרכיבים הללו יחד כמו תזמורת מתוזמנת להפליא. החשוב ביותר כאן הוא הניסיון, ההבנה העמוקה של איך פועל מדחס צנטריפוגלי, איך פועלים משני תדר ומה השפעתם של כל הרכיבים על הצ'ילר כמכלול. במובן זה, לחברתAXIMA  צוות פיתוח עתיר ניסיון וידע בשילוב מערכים טרמודינאמיים במערכות הבקרה, לניצול מרבי של מדחסים צנטריפוגליים בכלל ומדחסי TURBOCOR בפרט. בזאת מתבטא יתרונה הגדול בהשוואה לחברות מתחרות אחרות אשר נמצאות בתחילת דרכן בכל הקשור לרמת הידע והפתוח  הקיימים בחברת AXIMA.
אנו מבטיחים מאמרים נוספים בנושא מרתק זה בעתיד.
לפרטים ומידע נוסף: משיק עבוד שבבי בע"מ 04-8212173










פי.סי.חץ