تأثیر فاصله فین (FPI) در کویل فین-تیوب بر راندمان حرارتی و افت فشار

فاصله فین یا Fins Per Inch (FPI) یکی از پارامترهای کلیدی در طراحی کویل‌های فین-تیوب است که به‌طور مستقیم بر انتقال حرارت و افت فشار جریان هوا تأثیر می‌گذارد. افزایش FPI یعنی تعداد پره‌ها در واحد طول بیشتر می‌شود؛ این تغییر مزایا و معایب مشخصی دارد.

اثر بر راندمان حرارتی

• افزایش سطح تبادل حرارتی: با افزایش FPI سطح تماس بین هوا و فلز فین بیشتر می‌شود، بنابراین ضریب انتقال حرارت کلی افزایش یافته و ظرفیت تبادل حرارتی کویلی بالا می‌رود.
• پوشش حرارتی بهتر: پره‌های بیشتر باعث می‌شوند که جریان هوا با تعداد تماس‌های بیشتر مواجه شود و لایه حدی نازک‌تری تشکیل شود که موجب ارتقای نرخ انتقال حرارت موضعی می‌گردد.
• محدودیت‌های عملی: در FPI‌های بسیار بالا، افزایش سطح مؤثر ممکن است با کاهش راندمان درونی تیوب‌ها (به‌علت مقاومت حرارتی داخلی و اتصال فین-تیوب) همراه شود و بهینه‌ای وجود دارد که بسته به شرایط کاری و خواص سیال تعیین می‌شود.

اثر بر افت فشار

• افزایش مقاومت جریان هوا: فین‌های بیشتر مسیر عبور هوا را تنگ‌تر و پیچیده‌تر می‌کنند؛ این موضوع باعث افزایش افت فشار (pressure drop) در کویل می‌شود. افت فشار بالاتر نیاز به فن قوی‌تر و مصرف برق بیشتر دارد.
• توزیع جریان و گردابه‌ها: فین‌های نزدیک به هم می‌توانند ایجاد گردابه و جریان غیر یکنواخت کنند که افت فشار موضعی را تشدید می‌کند.
• رابطه با سرعت هوا: در سرعت‌های بالا اثر افزایش FPI بر افت فشار شدیدتر است؛ بنابراین انتخاب FPI باید در تعامل با سرعت طراحی شده‌ی هوا صورت گیرد.

توازن طراحی و انتخاب بهینه

• کاربری و هدف سیستم: برای کاربردهایی که فضای سردکننده محدود و نیاز به حداکثر تبادل حرارت است (مثلاً اواپراتورهای کوچک)، FPI بالا مناسب است. برای سیستم‌های تهویه با فضای نگهداری یا اهمیت افت فشار کم (مثلاً هواسازهای بزرگ) معمولاً FPI پایین‌تر انتخاب می‌شود.
• فاکتورهای مکمل: ضخامت و جنس فین، هندسه تیوب، فاصله بین تیوب‌ها، و سرعت جریان هوا همگی بر بهینگی نهایی تأثیر دارند؛ اغلب شبیه‌سازی یا آزمون تجربی لازم است تا FPI ایده‌آل مشخص شود.
• معیار اقتصادی: افزایش FPI می‌تواند هزینه ساخت و مصرف انرژی را تغییر دهد؛ طراحی بهینه بین افزایش راندمان حرارتی و هزینه عملیاتی/سرمایه‌ای قابل قبول باید برقرار شود.

جمع‌بندی

افزایش FPI معمولاً راندمان حرارتی را بالا می‌برد اما افت فشار را نیز زیاد می‌کند؛ انتخاب تعداد فین بهینه نیازمند ارزیابی شرایط عملکردی، محدودیت‌های انرژی و هزینه، و آزمایش یا مدل‌سازی جریان و انتقال حرارت است تا تعادلی بین ظرفیت حرارتی مورد نیاز و مصرف انرژی فن حاصل شود.