תפוקה מירבית

תפוקה מירבית

השימוש בטכנולוגיית ויסות במדחסים בורגיים ובמדחסים צנטרפוגליים, גורם להפסדי חיכוך, לעבודה לריק וכשמדובר במדחסים צנטרפוגליים נוצרת גם תופעה של הזדקרות סיבובית. כיצד ניתן לשפר את היעילות האנרגטית של הצ’ילרים בשיעור ניכר?

מהנדס יוני מלאכי
 
ההתפתחות המואצת בעשורים האחרונים של טכנולוגיות המיישמות שימוש במוליכים למחצה, הביאה לפיתוחם של וסתי תדר מתקדמים ושילובם כאמצעי התנעה ואמצעים לוויסות תפוקה של צ’ילרים. בנוסף ליתרונות המכניים והחשמליים הגלומים בהתנעה הרכה, מתאפשרת פעולת מנוע המדחס במהירות ובמומנט הדרוש תוך שיפור ניכר ביעילות ובאמינות פעולתו.    
יישום טכנולוגיית ויסות התפוקה בצ’ילר בעל מדחס צנטריפוגלי הינו תהליך מורכב ביחס לאופן יישומה בצ’ילר בעל מדחס בורגי, ומחייב ביצוע אופטימיזציה בתפעול משולב של וסת התדר עם מנגנון ויסות התפוקה המכני, והמנגנון למניעת ההזדקרות הסיבובית המותקן בצנטריפוגה, כפי שיתואר להלן. 
 
ויסות תדר של צ’ילרים עם מדחסים בורגיים:
ויסות תפוקה מכני של מדחס בורגי
ויסות התפוקה הקונבנציונלי של מדחס בורגי מבוסס על אמצעי מכני בדמות בוכנת החלקה - Slide Valve, הממוקמת בחלל המצוי מתחת לזוג הברגים של המדחס ומווסתת את תפוקתו על ידי שינוי נפח השווא בחלל זה (ציור מס’ 1). 
 
 
 
 
ציור מס’ 1 -  מדחס בורגי בעל מנגנון וויסות תפוקה מכני מטיפוס בוכנת החלקה (מקור- JCI).
 
במצב של דרישה לתפוקת קירור מלאה של 100% משתתפות כל כריכות הברגים בפעולת הדחיסה ונפח השווא שווה לאפס (ראה ציור מס’ 2). 
 
ציור מס’ 2 - פעולת מדחס בורגי עם ווסת תפוקה מכני במצב של 100% תפוקה (מקור- JCI).
 
משקטנה הדרישה לתפוקת קירור מועבר אות ממערכת בקרת התפוקה לבוכנת ההחלקה לנוע ולהגדיל באופן רציף את נפח השווא מתחת לברגים. כתוצאה מכך קטן מספר הכריכות הפעילות המשתתפות בעבודת הדחיסה של חומר הקירור ותפוקת הקירור של הצ’ילר פוחתת (ראה ציור מס’ 3). מצב זה מייצר הפסדים מכניים כתוצאה מעבודת ריקם שמבצעות הכריכות הבלתי פעילות של הבורג וכן הפסדי מערבולת הנוצרים בנפח חלל השווא.
 
 
ציור מס’ 3-  פעולת מדחס בורגי עם ווסת תפוקה מכני במצב של 30% תפוקה (מקור- JCI).
 
שילוב וסת תדר בצ’ילרים עם מדחסים בורגיים
שילובו של וסת התדר כאמצעי התנעה וויסות תפוקה של מדחס בורגי מייתרת כליל את הצורך בשימוש בבוכנת ההחלקה וכתוצאה מכך משפרת את יעילות הפעולה של המדחס ובמיוחד בעומסים חלקיים.  
להלן סיכום היתרונות המכאניים, החשמליים והאנרגטיים הבאים לידי ביטוי בשימוש עם ווסת תדר:
  • נצילות אנרגטית גבוהה ובמיוחד בעומסים חלקיים- יעילות ממוצעת גבוהה בכ-15-20%
  • אמינות מכנית גבוהה (50% חלקים נעים ביחס למדחס בעל מנגנון בוכנת החלקה) 
  • יתרונות חשמליים של התנעה רכה ביחס להתנעה מדורגת 
  • כופל הספק גבוה 0.95 (אין צורך בקבלים)
  • אופטימיזציה בעומס חלקי-ניצול מירבי של מחליפי החום
  • הגבלת עומס, השלת עומס, השלת רעש 
  • בקרה טמפ' רציפה ומדויקת במיוחד 
  • יכולת פעולה בתנאי חוץ קיצוניים - עד 52 מעלות.
ויסות תדר של צ’ילרים עם מדחסים צנטריפוגליים:
ויסות תפוקה מכני של מדחס צנטריפוגלי
ויסות התפוקה הקונבנציונלי של מדחס צנטריפוגלי מבוסס על אמצעי מכני בדמות כפות הטיה המורכבות בפתח היניקה של הצנטריפוגה. במצב של דרישה לתפוקת קירור מלאה של 100% נמצאות הכפות במצב פתוח לחלוטין (ראה ציורים מס’ 4,5). 
ציור מס’ 4-  מדחס צנטריפוגלי בעל מנגנון וויסות תפוקה מכני מטיפוס כפות הטיה (מקור- JCI).
 
 
 
 
משקטנה הדרישה לתפוקת קירור מועבר אות ממערכת בקרת התפוקה למפעיל החשמלי של מנגנון הכפות לנוע ולסגור באופן רציף את הכפות עד לנקודה הנדרשת. כתוצאה מכך קטן פתח היניקה של חומר הקירור בכניסה לצנטריפוגה ותפוקת הקירור של הצ’ילר פוחתת (ראה ציור מס’ 6). מצב זה מייצר הפסדים מכניים כתוצאה מעבודת ריקם, וכן כתוצאה מחיכוך ומערבולות הנוצרות בכניסה לצנטריפוגה.        
 
ציור מס’ 7  חוקי דמיות של מדחס צנטריפוגלי בעל מנגנון וויסות תפוקה מסוג ווסת תדר (מקור- JCI).
 
 
שילוב וסת תדר בצ’ילרים עם מדחסים צנטריפוגליים
שילובו של וסת התדר כאמצעי התנעה וויסות תפוקה של מדחס צנטריפוגלי אינו מייתר לחלוטין את הצורך בשימוש בווסת המכני. הסיבה לכך נעוצה בחוקי הדמיות של המדחס הצנטריפוגלי (ציור מס’ 7).
בהתאם לחוקי הדמיות קטנה צריכת החשמל של המדחס בחזקה שלישית ביחס לשינוי המהירות. אולם, עומד הלחץ - Lift קטן אף הוא בחזקה שניה ביחס למהירות. עובדה זו עלולה לגרום, במקרה של עבודה מול לחץ עיבוי גבוה, לתופעת ההזדקרות הסיבובית הקרויה Stall ובמקרה הקיצון שלה הופעת הנחשול - Surge. תופעות אלה פוגעות בפעולתו התקינה של המדחס הצנטריפוגלי ועלולות להסב לו נזק מכני כבד. 
על מנת להתגבר על בעיה זו מבצעת מערכת הבקרה של הצ’ילר אופטימיזציה בוויסות התפוקה המשלבת בין ויסות התדר מחד וכיוונון מנגנון כפות ההטיה בכניסה למדחס ומנגנון מניעת ההזדקרות הסיבובית מאידך. פעולה זו מבוקרת באמצעות רגש לחץ - Transducer   המותקן בצד הסניקה של שבלול הצנטריפוגה (ראה ציור מס’ 8).
 
ציור מס’ 8 -  אופטימיזציה בוויסות תפוקה של מדחס צנטריפוגלי בעל מנגנון ויסות תפוקה מסוג וסת תדר בשילוב מנגנון כפות הטיה בכניסה לצנטריפוגה ומנגנון מניעת הזדקרות סיבובית במחילת הסניקה של הצנטריפוגה (מקור- JCI).
 
 
סיכום
היתרונות המכאניים, החשמליים והאנרגטיים הבאים לידי ביטוי בשימוש בווסת תדר להתנעה ויסות תפוקה של צ’ילרים בעלי מדחסים צנטריפוגליים דומים במרביתם לאלה המושגים בפעולה עם צ’ילרים בעלי מדחסים בורגיים ואולם, באמצעות האופטימיזציה הנ”ל מושג שיפור נוסף ומתקבלת יעילות ממוצעת הגבוהה בכ-30%-40% ביחס ליעילות המתקבלת בפעולה עם מנגנון ויסות תפוקה מכני בלבד. 
 
* הכותב הוא סמנכ”ל תפעול במשב הנדסת קירור ומיזוג אויר - אחת מהחברות הקבלניות המובילות בתחום מיזוג האוויר המרכזי והקירור התעשייתי בישראל. החברה שנוסדה ב-1965, מתמחה בביצוע פרויקטים רחבי היקף במרכזי אנרגיה, קמפוסים, מפעלי תעשייה וטכנולוגיה עילית, מוסדות ציבור, מרכזי מסחר וקניות ועוד. משב משמשת כנציגה הבלעדית של חברת York international בישראל.
 
מקרא: • PRV - מנגנון וויסות התפוקה באמצעות כפות ההטיה בכניסה לצנטריפוגה - Pre Rotating Vanes  • VGD - מנגנון מניעת הזדקרות סיבובית במחילת הסניקה של הצנטריפוגה - Variable Geometry Diffuser  • VSD - מנגנון וויסות התפוקה באמצעות ווסת תדר לשינוי מהירות הצנטריפוגה - Variable Speed Drive
 
 










פי.סי.חץ