שסתום

ברזים בעלי שסתומים לוויסות זרימת המים

שסתום (באנגלית: Valve) הוא התקן (בדרך כלל מכני), אשר משמש לפתיחת מעבר, לסגירת מעבר או לוויסות הזרימה של נוזל או גז. המלה "שסתום" היא מונח עברי מודרני, ומורכבת משתי מילים: שָׁתוּם - שפירושו פתוח, וסָתוּם - שפירושו סגור.

שסתומים במערכות צנרת

את השסתומים במערכות צנרת ניתן לחלק לחמש קטגוריות עיקריות:

1. שסתומי סגירה (stop valves) משמשים לפתיחה, לסגירה או לוויסות הזרימה של נוזל במערכת.
2. שסתומים אל-חוזרים (check valves, non-return valves) מונעים זרימת הנוזל במערכת בכיוון הפוך.
3. שסתומי סגירה אל-חוזרים (screw-down non-return valves) הם שילוב של שסתום סגירה ושל שסתום אל-חוזר.
4. ברזים (cocks), בדרך כלל קטני ממדים, המצויים במצב סגור או פתוח ואינם מיועדים לוויסות הזרימה.
5. שסתומים מיוחדים מסוגים שונים, כגון שסתומי ויסות לחץ, שסתומי ביטחון ועוד.

שסתום דיסקה

זהו שסתום הסגירה הבסיסי ביותר, שנועד לפתוח, לחסום או לווסת את זרימת נוזל או גז במערכת. לשסתום גוף דמוי כדור, ומכאן שמו באנגלית (globe valve). דיסקת השסתום נסגרת על תושבת השסתום באמצעות סיבוב כוש בעל הברגה. זרימת הנוזל נעשית מהצד התחתון של התושבת בכיוון מעלה. זרימה בכיוון הפוך מפעילה לחץ על הדיסקה, מקשה על פתיחת השסתום ועלולה במקרים מסוימים לנתק את הדיסקה מהכוש. זאת ועוד, במצב סגור יפעל לחץ גבוה יותר של נוזל על התקן האטימה סביב הכוש, והאפשרות לדליפות תגדל. מאחר שהדיסקה והתושבת נמצאות בזווית ישרה לקו הציר של הצנרת, שינוי כיוון הזרימה בתוך השסתום יוצר מערבולת והפסדי זרימה. במקרים רבים הדבר אינו מהווה בעיה, אך לעיתים הדבר לא רצוי, ויש להשתמש בשסתום בעל מבנה שונה.

שסתום שער

שסתום סגירה, הנקרא באנגלית gate valve, ומאפשר לנוזל לזרום דרכו מבלי לשנות כיוון ועם מינימום הפסדי זרימה. החלק האוטם הוא מעין סכר ניצב לכיוון הזרימה, המועלה ומורד למקומו באמצעות כוש בעל תבריג. לסכר צורת דיסקה עגולה מקבילה או קונית, והיא מתיישבת על תושבות מתאימות בבית השסתום. שסתום שער צריך להימצא במצב סגור לגמרי או פתוח לגמרי, ואינו נועד לוויסות הזרימה בשל המערבולות הנוצרות סביב הסכר כשהוא פתוח חלקית. יתרה מכך, במצב זה הסכר רועד ונע לצדדים ופוגם בתושבות.

שסתום פרפר

זהו שסתום סגירה, הכולל דיסקה אשר נעה בתנועה סיבובית על ציר בתוך בית השסתום. לפתחי השסתום ממדים זהים לאלו של הצינורות המחוברים אליו. מאחר שהנוזל זורם למלוא שטח החתך של השסתום ובקו ישר, הפסדי הזרימה ומפל הלחץ קטנים מאוד. ניתן להשתמש בשסתום מסוג זה כשסתום פתיחה מהירה או סגירה מהירה, מאחר שנחוץ לסובב את הדיסקה רבע סיבוב בלבד ממצב סגור למצב פתוח ולהפך. שסתומי פרפר גדולים ניתנים להפעלה גם באמצעות מנגנון פנאומטי או הידראולי.

שסתום דיאפרגמה

שסתום סגירה, המצויד בדיסקת גומי סינתטי גמישה, אשר נלחצת על ידי כוש מתברג ואוטמת את מעבר הנוזל. סוג זה של שסתום מתאים במיוחד לכימיקלים ולנוזלים קורוזיביים בטמפרטורה נמוכה.

שסתום סגירה מהירה

זהו שסתום דיסקה או שער, המצויד בקפיץ דרוך ובמנגנון הפעלה מרחוק (כבל פלדה או בוכנה הידראולית). הפעלת המנגנון גורמת לקפיץ להשתחרר ולסגור את השסתום באופן מיידי. שסתומים מסוג זה מותקנים למשל במכלי דלק ושמן, על מנת לאפשר את ניתוקם המיידי מן המערכת במקרה שריפה. קיימים בשימוש גם שסתומים לפתיחה מהירה, הפועלים על פי עקרון זהה.

שסתומים אל-חוזרים

שסתומים אל-חוזרים או חד-כיווניים מותקנים במקומות שונים לאורך הצנרת, כדי למנוע זרימה חוזרת. הם נסגרים ונפתחים בלחץ הנוזל ולא ניתן לשלוט עליהם ידנית. מצויים בשימוש שני סוגים עיקריים: בעלי דיסקה, הנעה אנכית באמצעות מובילים, ובעלי דיסקה הנעה על ציר.

שסתומי סגירה אל-חוזרים

אלו הם שסתומי דיסקה, שהכוש שלהם אינו מחובר לדיסקה בצורה קשיחה, אלא נשען עליה. צורת מבנה זו מאפשרת להם לתפקד הן כשסתומי סגירה הן כשסתומים חד-כיווניים. כאשר מבריגים את הכוש בכיוון מטה, הוא לוחץ על הדיסקה וסוגר את השסתום. כאשר מבריגים את הכוש בכיוון מעלה, יכולה הדיסקה לעלות ולרדת ולתפקד כשסתום חד-כיווני. דיסקת השסתום מצוידת במוביל, כדי להבטיח שתתיישב כיאות על תושבתה.

ברזים

ברזים הם שסתומים קטני מידות, שהחלק האוטם שלהם הוא מגופה (plug) קונית, גלילית או כדורית. הם משמשים כברזי סגירה on-off או כברזי מעבר רב-כיווניים. בברזים קוניים מושגת האטימה על ידי השחזה וליטוש של המגופה ותושבתה. בברזים כדוריים התושבות הן טבעות עשויות חומר אלסטי, המהודקות לשני צדי המגופה הכדורית. בברזים גלילים, התושבת בצורת שרוול גלילי, עשוי אף הוא מחומר אלסטי וניתן להחלפה.

שסתומי ביטחון והקלת לחץ

הגנת המערכת מפני לחץ יתר נעשית על ידי שסתומי הקלת לחץ (relief valve) או שסתומי ביטחון (safety valve). השסתום כולל דיסקה, הנשענת על תושבתה בכוח קפיץ דרוך. את לחץ הפתיחה של השסתום ניתן לכוון על ידי הקשחה או הרפיית הקפיץ באמצעות אומי כיוון. לחץ הפתיחה של שסתומים מסוג זה הוא בדרך כלל עד 10% מלחץ העבודה של המערכת. תחזוקת השסתום ובדיקתו בפרקי זמן קבועים חיוניים להגנת המערכת.

ונטיל

ונטיל הוא שסתום חד-כיווני, המאפשר כניסת אוויר על ידי כך שלחץ האוויר מתגבר על כוח הקפיץ אשר מחזיק את ליבת השסתום לחוץ כנגד אטם, וכאשר מופסקת אספקת לחץ האוויר, הלחץ שבכלי נשאר הודות למנגנון זה. במידת הצורך ניתן לשחרר את הלחץ ששורר בכלי על ידי לחיצה על ליבת השסתום ובכך משווים לחצים עם הסביבה.

השם ונטיל לקוח מהשפה הגרמנית, בארץ השתרש המושג ונטיל בהקשר של שסתום חד-כיווני למילוי אוויר בצמיגי אופניים ורכב, כדורי משחק ועוד.

במנועי דיזל ובנזין

בראש כל צילינדר של מנוע דיזל ובנזין מסוג מחזור ארבע פעימות מותקנים שני שסתומים בדרך כלל: שסתום יניקה ושסתום פליטה. תפקיד שסתום היניקה לפתוח מעבר לכניסת אוויר טרי (או תערובת בנזין ואוויר) לתוך הצילינדר, בעוד שתפקיד שסתום הפליטה הוא לפתוח מעבר ליציאת גזי השריפה מן הצילינדר אל צינור הפליטה. השסתומים נפתחים על ידי מנגנון גל הזיזים בעיתוי המתאים ונסגרים באמצעות קפיצים חזקים.

במנועים מודרניים יש יותר משסתום פליטה ויניקה אחד לכל צילינדר, וכיום נפוצים מנועים עם ארבעה שסתומים לצילינדר ולעיתים אף יותר. מנועי הבנזין הנפוצים במכוניות נוסעים כוללים ארבעה צילינדרים, שלכל אחד מהם יש שני שסתומי פליטה ושני שסתומי יניקה. לכן בראש מנוע כזה נמצאים 16 שסתומים, שנהוג לסמנם באופן מקוצר בסימול 16V.

אחד הנזקים החמורים העלולים להגרם בעת קריעת רצועת התזמון במנוע ארבע פעימות הוא פגיעה של הבוכנה העולה בשסתום שנותר בולט אל תוך חלל השריפה. פגיעה זו מביאה לרוב לעיקום השסתום, נזק לבוכנה וצורך בשיפוץ ראש המנוע.

חפיפת שסתומים היא מאפיין של מנועי בנזין או דיזל, שבו שסתום יניקה ושסתום פליטה פתוחים ביחד לשבריר שנייה. שסתום היניקה נפתח מספר מעלות (כ-5° עד 20°) לפני נמ"ע (נקודה מתה עליונה) ונסגר מספר מעלות (כ-30° עד 65°) אחרי נמ"ת (נקודה מתה תחתונה). שסתום הפליטה נפתח מספר מעלות (כ-35° עד 70°) לפני נמ"ת ונסגר (כ-10° עד 25°) אחרי נמ"ע. תזמוני הפתיחה והסגירה נקבעים על פי הוראות יצרן המנוע ולעייתים משנים אותם על מנת לשפר את ביצועי המנוע. בעקומת הספק של מנוע ביחס למספר סיבוביו בדקה, ניתן לראות שלאחר השגת ההספק המקסימלי מתרחשת עקב חפיפת השסתומים ירידה חדה בהספק, בדרך כלל בסל"ד המסומן בלוח השעונים בצבע אדום.

שסתומים בגופם של אורגניזמים

גם בגופם של אורגניזמים נמצאים שסתומים, שתפקידם דומה לתפקיד בו הם משמשים במכונות שונות - פתיחת מעבר, סגירת מעבר או וויסות זרימה. מספר שסתומים נמצאים במערכות שונות בגופם של אורגניזמים והם הכרחיים לשמירת ההומאוסטזיס בגוף היצור החי, ולתפקודו התקין. דוגמאות:

• שסתום השוער: שסתום הנמצא בחיבור בין הקיבה לבין התריסריון, תחילתו של המעי הדק ונסגר בעת הצורך, כאשר התריסריון מלא ונדרש עיכוב ביציאת המזון על מנת להמשיך בתהליך עיכולו התקין.
• מסתמי העליות-חדרים: מסתמי העליות-חדרים הם שסתומים הנמצאים בין העליות והחדרים בלב . הם נפתחים במהלך הדיאסטולה, ונסגרים במהלך הסיסטולה. תקלה במסתמים אלו עשויה לגרום לאיוושה או למחלת מסתמי לב.

ראו גם

• מסתמי הלב