مقایسه مهندسی شیرهای انبساط الکترونیکی Danfoss و CAREL

از اصول سوپرهیت و انبساط تا انتخاب بهترین EEV برای چیلر، سردخانه و CO₂

در یک سیکل تبرید تراکمی، چهار جزء اصلی – کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور – با هم یک مدار ترمودینامیکی را شکل می‌دهند. سال‌ها تمرکز بر روی بهبود راندمان کمپرسورها و طراحی کندانسور و اواپراتور بوده، اما در سیستم‌های نسل جدید، شیر انبساط به یکی از تأثیرگذارترین اجزاء روی COP، مصرف انرژی، عمر کمپرسور و پایداری دمایی تبدیل شده است.

با گسترش کمپرسورهای اینورتر، سیستم‌های CO₂ فشار بالا، مبردهای Low-GWP و استانداردهای سخت‌گیرانه انرژی، استفاده از شیرهای ترموستاتیکی سنتی (TXV/TEV) به تنهایی پاسخ‌گو نیست. در چنین شرایطی، شیرهای انبساط الکترونیکی (EEV) به یک استاندارد صنعتی در چیلرها، سردخانه‌های زیر صفر، فروشگاه‌های زنجیره‌ای، دیتاسنترها و سیستم‌های تهویه مطبوع هوشمند تبدیل شده‌اند.

در این مقاله چهار بخشی، دو برند مطرح دنیا یعنی Danfoss و CAREL را از دیدگاه یک مهندس طراح سیستم تبرید بررسی می‌کنیم؛ از ساختار داخلی و رفتار دینامیکی گرفته تا هزینه چرخه عمر و تحلیل اقتصادی. هدف این است که وقتی در یک پروژه واقعی بین دو گزینه ETS دانفوس و E2V کرل مردد هستید، بتوانید بر اساس منطق مهندسی، انتخابی آگاهانه و اقتصادی داشته باشید.

در نگاه اول، شیر انبساط قطعه‌ای است که فقط وظیفه کاهش فشار و تنظیم دبی مبرد را بر عهده دارد؛ اما اگر کمی عمیق‌تر نگاه کنیم، می‌بینیم این قطعه کوچک در عمل:

• دمای تبخیر و دمای اواپراتور را کنترل می‌کند،
• سوپرهیت را تنظیم می‌کند و از برگشت مایع به کمپرسور جلوگیری می‌نماید،
• ظرفیت مؤثر اواپراتور را تعیین می‌کند،
• روی فشار مکش و در نتیجه روی نسبت تراکم کمپرسور اثر مستقیم دارد،
• و نهایتاً بر مصرف انرژی کل سیستم اثرگذار است.

اگر شیر انبساط دبی را بیش از حد باز کند، خطر Liquid Floodback و آسیب جدی به کمپرسور وجود دارد؛ اگر بیش از حد ببندد، سوپرهیت بالا می‌رود، اواپراتور به‌درستی پر نمی‌شود و COP سیستم به شدت کاهش می‌یابد. بنابراین دقت کنترل و سرعت واکنش شیر انبساط، مستقیماً بین «سیستم کم‌مصرف، پایدار و پرظرفیت» و «سیستم پرمصرف، ناپایدار و مستعد خرابی» تفاوت ایجاد می‌کند.

شیرهای ترموستاتیکی (TXV) سال‌ها استاندارد صنعت بوده‌اند و هنوز هم در بسیاری از سیستم‌های ساده و میان‌ظرفیت گزینه مناسبی هستند؛ اما محدودیت‌های ذاتی آن‌ها در سیستم‌های مدرن مشکل‌ساز می‌شود. مقایسه زیر تصویر واضح‌تری ارائه می‌کند:

جمع‌بندی این است که TXV هنوز برای سیستم‌های سنتی On/Off با بار نسبتاً ثابت قابل قبول است، اما هرجا صحبت از اینورتر، CO₂، بار متغیر، دیتاسنتر، فروشگاه زنجیره‌ای و استانداردهای انرژی باشد، عملاً تنها گزینه منطقی، استفاده از EEV است؛ جایی که برندهای Danfoss و CAREL نقش اصلی را بازی می‌کنند.

در ساده‌ترین بیان، EEV یک «شیر سوزنی با موتور استپر» است؛ اما در عمل، جزئیات ظریفی در طراحی موتور، کوپلینگ، مجموعه سوزن-اوریفیس و آب‌بندی وجود دارد که باعث تفاوت بین یک شیر الکترونیکی معمولی و یک محصول صنعتی سطح بالا مثل Danfoss ETS یا CAREL E2V می‌شود.

۴.۱) موتور استپر (Stepper Motor)

قلب هر EEV، موتور استپر آن است. این موتور به صورت پله‌ای (Step-by-Step) حرکت می‌کند و هر پله معادل یک تغییر بسیار کوچک در موقعیت سوزن است. دو خانواده اصلی استپرها در این حوزه استفاده می‌شود:

• Unipolar: ساختار ساده‌تر، گشتاور متوسط، مناسب شیرهای اقتصادی و ظرفیت پایین.
• Bipolar / Hybrid: گشتاور بالا، راندمان بهتر، دقت بیشتر، مناسب شیرهای صنعتی و ظرفیت متوسط و بالا.

در محصولات دانفوس، به‌ویژه سری ETS، از استپرهای Hybrid Bipolar استفاده می‌شود که گشتاور بالایی دارند و می‌توانند در برابر پالس‌های فشار و اختلاف فشار ناگهانی مقاومت کنند. در شیرهای CAREL، تمرکز بیشتر روی رزولوشن بالا و حرکت نرم است و این موضوع در کنترل سوپرهیت در سیستم‌های اینورتر مزیت ایجاد می‌کند؛ این تفاوت در بخش‌های بعدی مقاله (بخش ۲ و ۳) با جزئیات مهندسی مقایسه می‌شود.

۴.۲) سوزن و اوریفیس

بخش سوزن–اوریفیس تعیین می‌کند که شیر در هر وضعیت چند کیلوگرم مبرد در ساعت می‌تواند عبور دهد. طراحی این قسمت، تعادل ظریفی بین:

• افت فشار (Pressure Drop)،
• پایداری جریان،
• حساسیت به ذرات و آلودگی مبرد،
• دقت در دبی‌های بسیار پایین،
• و مقاومت در برابر سایش

در بسیاری از شیرهای صنعتی دانفوس، اوریفیس از فولاد سخت‌کاری شده ساخته می‌شود تا در برابر ضربات هیدرولیکی و ذرات جامد موجود در مبرد مقاوم باشد. در مقابل، CAREL در سری E2V از طراحی اوریفیس شناور (Floating Orifice) استفاده می‌کند که در آن حرکت سوزن نرم‌تر است و تغییر دبی به شکلی پیوسته‌تر و بدون «پرش ناگهانی» انجام می‌شود. این ویژگی در کنترل نرم سوپرهیت، به‌خصوص در چیلرهای اینورتر، مزیت ایجاد می‌کند.

۴.۳) آب‌بندی و نشتی داخلی

یکی از شاخص‌های کلیدی کیفیت در EEV، میزان Internal Leakage یا نشتی داخلی شیر در حالت بسته است. اگر نشتی داخلی بالا باشد، حتی وقتی که کنترلر دستور بسته بودن کامل شیر را می‌دهد، بخشی از مبرد عبور می‌کند و:

• پایداری فشار مکش به‌هم می‌خورد،
• در سیستم‌های CO₂ کنترل بسیار دشوار می‌شود،
• و امکان بروز یخ‌زدگی ناخواسته در اواپراتور وجود دارد.

در شیرهای دانفوس ETS و CCMT، طراحی آب‌بندی به گونه‌ای است که نشتی داخلی در بسیاری از سایزها تقریباً «صفر» در نظر گرفته می‌شود؛ به همین دلیل است که این سری‌ها برای فروشگاه‌های زنجیره‌ای و سیستم‌های CO₂ در دنیا بسیار محبوب‌اند. در شیرهای CAREL نیز نشتی بسیار کم است، اما فلسفه طراحی آن‌ها بیشتر روی «کنترل نرم و دقت سوپرهیت» متمرکز است تا کار در شرایط فشار بسیار بالا – که در بخش مقایسه نهایی به آن خواهیم پرداخت.

شیر انبساط الکترونیکی بدون یک کنترلر مناسب عملاً یک قطعه خام است. تفاوت اصلی بین یک سیستم متوسط و یک سیستم حرفه‌ای، فقط نوع شیر نیست؛ بلکه ترکیب شیر + کنترلر + سنسورها + الگوریتم کنترل است. سوپرهیت (Superheat) اختلاف دمای بین نقطه اشباع مبرد در مکش و دمای واقعی گاز مکش است و نقش حفاظتی و راندمانی هم‌زمان دارد:

• اگر سوپرهیت خیلی پایین باشد → خطر برگشت مایع به کمپرسور،
• اگر سوپرهیت خیلی بالا باشد → اواپراتور به طور کامل از مایع پر نمی‌شود و ظرفیت سرمایشی کاهش می‌یابد.

EEV با دریافت دما و فشار مکش، سوپرهیت لحظه‌ای را محاسبه کرده و بر اساس الگوریتم PID یا کنترل اختصاصی، موقعیت سوزن را تنظیم می‌کند. مزیت اصلی این کنترل دیجیتال، امکان تنظیم دقیق سوپرهیت در محدوده ۲ تا ۵K است؛ چیزی که با TXV معمولاً در بهترین حالت ۶ تا ۸K خواهد بود.

در سیستم‌های CAREL، کنترلرهای pCO و EVD Evolution برای کار با E2V و E3V بهینه شده‌اند و از الگوریتم‌هایی استفاده می‌کنند که پاسخ شیر را بسیار نرم و بدون Oscillation نگه می‌دارند. در طرف مقابل، دانفوس در کنترلرهای AK-CC، EKC و MCX الگوریتم‌های بسیار پایداری برای ETS و AKV توسعه داده است که در محیط‌های سخت و بار متغیر (مثلاً فروشگاه‌های زنجیره‌ای) کارکرد فوق‌العاده‌ای دارند.

رویکرد Danfoss در طراحی شیرهای انبساط الکترونیکی بر سه محور اصلی استوار است:

• پایداری مکانیکی و هیدرولیکی در شرایط سخت کاری (سردخانه‌های زیر صفر، CO₂، فروشگاه‌های زنجیره‌ای)،
• تحمل فشار بالا و قابلیت استفاده در مبردهای High Pressure مانند CO₂،
• کنترل دقیق سوپرهیت همراه با پاسخ سریع در بارهای متغیر.

یعنی دانفوس بیش از هر چیز، به شیر انبساط به‌عنوان یک قطعه صنعتی سنگین نگاه می‌کند که باید در طول سال‌ها کارکرد ۲۴/۷، همچنان پایدار و قابل اعتماد بماند. به همین دلیل است که نام Danfoss در فروشگاه‌های مواد غذایی، سردخانه‌های بزرگ و سیستم‌های CO₂، تقریباً به یک استاندارد تبدیل شده است.

سری ETS شناخته‌شده‌ترین خانواده EEV های Danfoss برای چیلرها، سردخانه‌ها و سیستم‌های تهویه مطبوع است. این سری برای انواع مبردهای HFC، HFO و مخلوط‌های جدید طراحی شده و در ظرفیت‌های متنوعی ارائه می‌شود؛ از واحدهای کوچک تا چیلرهای صنعتی چندصد کیلوواتی.

۲.۱) ساختار مکانیکی ETS

• بدنه: معمولاً برنجی یا فولادی با روکش مناسب برای مقاومت در برابر خوردگی و فشار.
• استپر موتور Hybrid Bipolar: با گشتاور بالا و تعداد استپ زیاد (تا ده‌ها هزار گام برای یک کورس کامل).
• سوزن–اوریفیس سخت‌کاری شده: برای کاهش سایش و تضمین دبی ثابت در طول زمان.
• آب‌بندی دقیق: برای کاهش نشتی داخلی در حالت بسته (Position = 0 Step).

ترکیب این ساختار باعث می‌شود ETS در برابر پالس‌های فشار، نوسان بار، آلودگی محدود مبرد و سیکل‌های باز و بسته شدن مکرر مقاومت بسیار خوبی داشته باشد؛ چیزی که در چیلرهای صنعتی و سردخانه‌های بزرگ، یک ضرورت است نه یک مزیت معمولی.

۲.۲) رفتار دینامیکی ETS در بارهای متغیر

در سیستم‌هایی که بار سرمایشی مرتباً تغییر می‌کند – مانند سالن‌های تولید، سردخانه‌هایی با درب‌های پرتردد، یا چیلرهای تأمین چند هواساز – شیر ETS باید در کسری از ثانیه به تغییر فشار مکش و دمای اواپراتور واکنش نشان دهد.

موتور استپر Hybrid به کنترلر امکان می‌دهد که:

• در بازه‌ای از چند استپ تا چند هزار استپ، دبی را به‌صورت پله‌های بسیار کوچک تنظیم کند،
• هنگام کاهش ناگهانی بار (مثلاً بسته شدن یک مدار فرعی در چیلر)، به سرعت شیر را ببندد تا سوپرهیت منفی رخ ندهد،
• در شرایط افزایش تدریجی بار، باز شدن شیر را نرم و بدون Overshoot انجام دهد.

در عمل، این رفتار باعث می‌شود فشار مکش در محدوده‌ای پایدار بماند و کمپرسور در محدوده کاری مناسب خود کار کند؛ موضوعی که در تحلیل مصرف انرژی ماهانه سیستم، کاملاً اثرگذار است.

خانواده AKV دانفوس، شیرهای الکترونیکی مخصوص کابین‌ها، یخچال‌های فروشگاهی، فریزرهای تجاری و ویترین‌های نگهداری مواد غذایی هستند. این سری معمولاً به همراه کنترلرهای AK-CC استفاده می‌شود و در هزاران فروشگاه زنجیره‌ای در جهان نصب شده است.

ویژگی‌های کلیدی AKV:

• طراحی بهینه برای مبردهای رایج تجاری مانند R404A، R448A، R449A و ...
• هماهنگی کامل با الگوریتم‌های کنترل مخصوص فروشگاه (Defrost، Night Setback، Energy Saving).
• امکان کار در سیکل‌های متعدد Stop/Start بدون ایجاد مشکل مکانیکی.
• پایداری دما در محدوده بسیار نزدیک به Setpoint، با حداقل نوسان.

یکی از نقاط اوج مهندسی Danfoss، سری CCMT است؛ شیرهای مخصوص سیستم‌های CO₂ زیر بحرانی و Transcritical. در این سیستم‌ها، فشار کاری می‌تواند به بیش از ۹۰ تا ۱۴۰ بار برسد؛ اعدادی که بسیاری از شیرهای معمولی در برابر آن‌ها شانسی ندارند.

طراحی CCMT شامل:

• بدنه فولادی ضخیم: مناسب فشارهای بسیار بالا،
• آب‌بندی ویژه: برای جلوگیری از نشتی CO₂ و افت راندمان،
• اوریفیس و سوزن مقاوم: برای تحمل سرعت بالای گاز و تغییرات شدید دما،
• هماهنگی با کنترلرهای مخصوص CO₂: مانند سری AK-PC.

جدول زیر، تصویری عملی از نقاط قوت Danfoss در انواع پروژه‌ها ارائه می‌دهد. رتبه‌بندی از ۱ (کم) تا ۵ (بسیار مناسب) است.

فرض کنید یک سردخانه زیر صفر با ظرفیت حدودی ۱۲۰ کیلووات برای نگهداری گوشت طراحی می‌کنید. شرایط کاری:

• دمای اتاق: -۲۰°C،
• دمای تبخیر هدف: حدود -۲۸°C،
• مبرد: R449A،
• نوع کمپرسور: اسکرال نیمه‌صنعتی یا سیلندرپیستونی.

در چنین پروژه‌ای، استفاده از سری ETS در ترکیب با یک کنترلر تبرید صنعتی (مثلاً MCX یا PLC مجهز به ماژول خروجی استپر) منطقی‌ترین انتخاب است. فرآیند انتخاب به‌صورت خلاصه:

1. محاسبه ظرفیت مورد نیاز شیر در شرایط طراحی (Mass Flow بر حسب kg/h یا ظرفیت برحسب kW).
2. انتخاب سایز ETS بر اساس جداول Danfoss با در نظر گرفتن ΔP و نوع مبرد.
3. تنظیم سوپرهیت هدف در محدوده ۴ تا ۶K برای سردخانه زیر صفر (برای تعادل بین راندمان و ایمنی).
4. استفاده از فیلتر درایر مناسب در خط مایع جهت جلوگیری از ورود ذرات به شیر.
5. تنظیم پارامترهای کنترلر (Gain، Integral، Deadband) به‌گونه‌ای که هم از Oscillation جلوگیری شود و هم پاسخ سیستم کند نشود.

نتیجه یک سیستم سردخانه خواهد بود که:

• فشار مکش پایدار،
• سوپرهیت قابل کنترل،
• کمپرسور با عمر طولانی‌تر،
• و مصرف انرژی پایین‌تر نسبت به استفاده از TXV
دارد.

CAREL برخلاف بسیاری از برندهای تبرید که ابتدا شیر را می‌سازند و سپس کنترلر را با آن تطبیق می‌دهند، از ابتدا شیر + کنترلر + الگوریتم + سنسور را یک «اکوسیستم یکپارچه» در نظر می‌گیرد. نتیجه این تفکر، عملکردی فوق‌العاده پایدار در بارهای پایین، مناسب برای چیلرهای اینورتر، مینی‌چیلرها، ویترین‌های فروشگاهی و سیستم‌های حساس مانند دیتاسنترها است.

درواقع CAREL شیر انبساط را نه یک قطعه مکانیکی، بلکه بخش اصلی یک سیستم کنترل دینامیک جریان مبرد می‌بیند. همین دیدگاه باعث شده شیرهای E2V و E3V در بسیاری از مینی‌چیلرهای اروپایی و آسیایی، انتخاب اول باشند.

۳) شیر E2V – پرچم‌دار CAREL برای چیلر و ویترین

مدل E2V محبوب‌ترین شیر الکترونیکی CAREL است. در چیلرهای ۵ الی ۱۲۰ تن، سیستم‌های فروشگاهی و کانکس‌های سردخانه‌ای به‌صورت گسترده استفاده می‌شود.

۳.۱) ویژگی‌های مکانیکی

• استپر موتور با دقت بسیار بالا (تا ۴۸۰۰۰ استپ)
• اوریفیس شناور → دقت در بارهای پایین عالی
• بدنه با تلورانس بسیار کم → کنترل پایدار در ΔP های متغیر
• مقاومت در برابر ضربه‌های فشار ناشی از کمپرسورهای اسکرال

۳.۲) عملکرد کنترلی

الگوریتم E2V بر پایه PID + الگوریتم Adaptive است. یعنی:

• در بار کم، از Overshooting جلوگیری می‌کند
• در بار زیاد، دبی مبرد را هوشمندانه افزایش می‌دهد
• سوپرهیت هدف را با دقت ±۰.۵K نگه می‌دارد

این دقت فوق‌العاده برای چیلرهای اینورتر حیاتی است.

۴) شیرهای سری E3V – طراحی برای ظرفیت‌های بالا

سری E3V نسخه صنعتی‌تر خانواده CAREL است و برای سیستم‌های با ظرفیت بالا طراحی شده است. قدرت استپر موتور، اندازه اوریفیس، دبی عبوری و مقاومت مکانیکی نسبت به E2V بسیار بیشتر است.

کاربردها:

• چیلرهای ۲۰۰ تا ۵۰۰ تن
• هواسازهای صنعتی بزرگ
• سردخانه‌های صنعتی چندکمپرسوری
• سیستم‌های Booster (در CO₂)

۵) سری HEE – راندمان بسیار بالا

سری HEE برای پروژه‌هایی طراحی شده که راندمان انرژی در آن‌ها اولویت اول است. این شیرهای انبساط برای سیستم‌هایی که باید COP را در شرایط بار جزئی بالا نگه دارند، ایده‌آل هستند.

مزایا:

• کمترین نوسان سوپرهیت در کل خانواده CAREL
• مصرف انرژی کمتر نسبت به E2V
• مناسب سیستم‌هایی با ساعت کاری بالا (۲۴/۷)

کاربردها:

• چیلرهای Low-Energy
• آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی
• سردخانه‌های استاتیک با بار متغیر

۶) شیرهای CO₂ CAREL – سری CC

CAREL برای سیستم‌های CO₂ یک خانواده کامل شیرهای الکترونیکی تولید می‌کند که شامل مدل‌های:

• CC2V – برای Subcritical
• C3V – برای Transcritical

این شیرها می‌توانند فشارهای بسیار بالا (۷۰ تا ۱۲۰ بار) را تحمل کنند و با کنترلرهای pRack و µRack سازگار هستند.

۷) مزایا و معایب شیرهای CAREL

۸) ماتریس کاربردی CAREL

اگر بخواهیم دو برند Danfoss و CAREL را به زبان ساده و مهندسی توصیف کنیم، می‌توان گفت:

• Danfoss: سخت‌جان، صنعتی، مناسب فشارهای بالا، عالی برای سیستم‌های بزرگ، سردخانه‌های زیر صفر و CO₂. تمرکز روی دوام، پایداری و زیر بار ماندن در طولانی‌مدت.
• CAREL: هوشمند، نرم، دقیق، ایده‌آل برای چیلرهای اینورتر، سیستم‌های با کنترل پیشرفته و پروژه‌هایی که دقت سوپرهیت و مصرف انرژی در بار جزئی بسیار مهم است.

در عمل، هیچ‌کدام «به‌طور مطلق» بر دیگری برتری ندارد؛ بلکه نوع پروژه، مبرد، سطح بودجه، فلسفه کنترل و استراتژی انرژی است که تعیین می‌کند کدام برند انتخاب منطقی‌تری باشد.

پاسخ به این سؤال که «کدام اقتصادی‌تر است؟» فقط با نگاه کردن به قیمت خرید شیر کامل نیست. در مهندسی اقتصاد پروژه باید به هزینه چرخه عمر (LCC) توجه کنید؛ یعنی مجموع:

• قیمت خرید شیر + کنترلر و سنسورها،
• هزینه نصب و تنظیم،
• هزینه انرژی طی چند سال،
• هزینه توقف سیستم و تعمیرات،
• هزینه تعویض احتمالی قطعات.

در یک جمع‌بندی ساده: CAREL در بسیاری از پروژه‌های چیلر و تهویه مطبوع، از نظر ترکیب قیمت خرید + مصرف انرژی، اقتصادی‌تر است. در مقابل، Danfoss در پروژه‌های سنگین و CO₂ به دلیل دوام بسیار بالا، از نظر LCC و ریسک خرابی، انتخاب مطمئن‌تری محسوب می‌شود.

در نهایت، انتخاب بین شیرهای انبساط الکترونیکی Danfoss و CAREL، نه یک مسابقه «برنده–بازنده»، بلکه یک مسئله بهینه‌سازی چندمعیاره است. اگر پروژه شما:

• سردخانه زیر صفر یا سیستم CO₂ با شرایط سخت است → Danfoss اغلب انتخاب قدرتمندتر و مطمئن‌تر است.
• چیلر اینورتر، تهویه مطبوع مدرن، دیتاسنتر یا سیستم با کنترل پیشرفته است → CAREL معمولاً دقت و راندمان بالاتری می‌دهد.
• ترکیبی از هر دو نوع کاربرد را دارید → استفاده ترکیبی از دو برند در بخش‌های مختلف پروژه، به‌همراه طراحی و تأمین توسط MTM، می‌تواند اقتصادی‌ترین و حرفه‌ای‌ترین راه‌حل باشد.

مهم این است که قبل از انتخاب، به‌جای تمرکز فقط بر قیمت خرید شیر، به مصرف انرژی، دوام، قطع‌نشدن سیستم، هزینه تعمیرات و استراتژی بلندمدت پروژه فکر کنید. در این مسیر، ماهان تهویه مانا (MTM) می‌تواند همراه شما باشد؛ از انتخاب مهندسی شیر تا واردات مستقیم از چین و تحویل در ایران.