El elemento termostático de cera fue inventado en 1934 por Sergius Vernet (1899-1968). [1] Su principal aplicación es en termostatos automotrices utilizados en el sistema de enfriamiento del motor. Las primeras aplicaciones en las industrias de fontanería y calefacción se produjeron en Suecia (1970) y Suiza (1971).
Los elementos termostáticos de cera transforman la energía térmica en energía mecánica mediante la expansión térmica de las ceras cuando se funden. Este principio de motor de cera también encuentra aplicaciones además de los sistemas de refrigeración de motores, incluidas las válvulas termostáticas de radiadores de sistemas de calefacción , fontanería, industria y agricultura .
El termostato de enfriamiento del motor de combustión interna mantiene la temperatura del motor cerca de su temperatura óptima de funcionamiento regulando el flujo de refrigerante a un radiador enfriado por aire . Esta regulación ahora la realiza un termostato interno. Convenientemente, tanto el elemento sensor del termostato como su válvula de control pueden colocarse en el mismo lugar, permitiendo el uso de un termostato autónomo simple y sin alimentación como dispositivo principal para el control preciso de la temperatura del motor. [2] Aunque la mayoría de los vehículos ahora tienen un ventilador de enfriamiento eléctrico con temperatura controlada, "la corriente de aire sin asistencia puede proporcionar enfriamiento suficiente hasta el 95% del tiempo" [3] y, por lo tanto, dicho ventilador no es el mecanismo para el control primario del temperatura interna.
Las investigaciones realizadas en la década de 1920 demostraron que el desgaste de los cilindros se agravaba por la condensación del combustible cuando entraba en contacto con una pared fría del cilindro que eliminaba la película de aceite. El desarrollo del termostato automático en la década de 1930 resolvió este problema asegurando un rápido calentamiento del motor. [4]
Los primeros termostatos utilizaban una cápsula sellada de un líquido orgánico con un punto de ebullición justo por debajo de la temperatura de apertura deseada. Estas cápsulas se fabricaron en forma de fuelle cilíndrico. A medida que el líquido hervía dentro de la cápsula, el fuelle de la cápsula se expandía, abriendo una válvula de tapón de chapa de latón dentro del termostato. [5] [6] Como estos termostatos podrían fallar durante el servicio, fueron diseñados para ser reemplazados fácilmente durante el servicio, generalmente montándose debajo del conector de salida de agua en la parte superior del bloque de cilindros. Convenientemente, esta era también la parte accesible más caliente del circuito de refrigeración, lo que proporcionaba una respuesta rápida al calentarse.
Los circuitos de refrigeración tienen una pequeña ruta de derivación incluso cuando el termostato está cerrado, normalmente mediante un pequeño orificio en el termostato. Esto permite un flujo suficiente de agua de refrigeración para calentar el termostato durante el calentamiento. También proporcionó una ruta de escape para el aire atrapado al llenar el sistema por primera vez. A menudo se proporciona una derivación más grande, a través del bloque de cilindros y la bomba de agua, para mantener uniforme la distribución de la temperatura en aumento. [5]
Los trabajos de refrigeración de motores de aviones de alto rendimiento en la década de 1930 llevaron a la adopción de sistemas de refrigeración presurizados , que se volvieron comunes en los automóviles de la posguerra. A medida que el punto de ebullición del agua aumenta al aumentar la presión, estos sistemas presurizados podrían funcionar a una temperatura más alta sin hervir. Esto aumentó tanto la temperatura de trabajo del motor, por lo tanto su eficiencia, como también la capacidad calorífica del refrigerante por volumen, permitiendo sistemas de refrigeración más pequeños que requerían menos potencia de bomba. [6] Una desventaja del termostato de fuelle era que también era sensible a los cambios de presión, por lo que a veces la presión podía obligarlo a cerrarse nuevamente, lo que provocaba un sobrecalentamiento. [6] El último tipo de bolitas de cera tiene un cambio insignificante en su volumen externo, por lo que es insensible a los cambios de presión. [6] Por lo demás, su funcionamiento es idéntico al del tipo anterior. Muchos automóviles de la década de 1950, o antes, que se construyeron originalmente con termostatos de fuelle fueron posteriormente reparados con termostatos de cápsula de cera de repuesto, sin necesidad de ningún cambio o adaptación.
Esta forma moderna de termostato más común ahora utiliza una bolita de cera dentro de una cámara sellada. [6] En lugar de una transición líquido-vapor, se utiliza una transición sólido-líquido, que en el caso de las ceras va acompañada de un gran aumento de volumen. La cera es sólida a bajas temperaturas y, a medida que el motor se calienta, la cera se derrite y se expande. La cámara sellada acciona una varilla que abre una válvula cuando se excede la temperatura de funcionamiento. La temperatura de funcionamiento es fija, pero está determinada por la composición específica de la cera, por lo que hay termostatos de este tipo disponibles para mantener diferentes temperaturas, normalmente en el rango de 70 a 90 ° C (160 a 200 ° F ). [7] Los motores modernos funcionan a altas temperaturas, es decir, a más de 80 °C (180 °F), para funcionar de manera más eficiente y reducir la emisión de contaminantes.
Mientras el termostato está cerrado, no hay flujo de refrigerante en el circuito del radiador y, en cambio, el agua refrigerante se redirige a través del motor, lo que permite que se caliente rápidamente y al mismo tiempo evita los puntos calientes. El termostato permanece cerrado hasta que la temperatura del refrigerante alcanza la temperatura nominal de apertura del termostato. Luego, el termostato se abre progresivamente a medida que la temperatura del refrigerante aumenta hasta la temperatura de funcionamiento óptima, aumentando el flujo de refrigerante al radiador. Una vez que se alcanza la temperatura óptima de funcionamiento, el termostato aumenta o disminuye progresivamente su apertura en respuesta a los cambios de temperatura, equilibrando dinámicamente el flujo de recirculación de refrigerante y el flujo de refrigerante al radiador para mantener la temperatura del motor en el rango óptimo según la producción de calor del motor y la velocidad del vehículo. y cambio de temperatura ambiente exterior . En condiciones normales de funcionamiento, el termostato está abierto hasta aproximadamente la mitad de su recorrido, de modo que puede abrirse más o reducir su apertura para reaccionar a los cambios en las condiciones de funcionamiento. Un termostato diseñado correctamente nunca estará completamente abierto o completamente cerrado mientras el motor esté funcionando normalmente, o se produciría un sobrecalentamiento o un enfriamiento excesivo.
Los motores que requieren un control más estricto de la temperatura, ya que son sensibles al "choque térmico" causado por aumentos repentinos de refrigerante, pueden utilizar un sistema de "temperatura de entrada constante". En esta disposición, la refrigeración de entrada al motor está controlada por un termostato de doble válvula que mezcla un flujo sensor de recirculación con el flujo de refrigeración del radiador. Estos emplean una sola cápsula, pero tienen dos discos de válvula. De este modo se consigue una función de control muy compacta y sencilla pero eficaz.
El termostato de doble válvula también puede regular el flujo de refrigerante al carburador: mientras la temperatura del refrigerante sea relativamente baja, el carburador se calentará, acelerando así aún más el calentamiento del motor.
La cera utilizada en el termostato está fabricada especialmente para este fin. A diferencia de una cera de parafina estándar , que tiene una gama relativamente amplia de longitudes de cadenas de carbonos , una cera utilizada en la aplicación de termostato tiene una gama muy estrecha de cadenas de moléculas de carbono . La extensión de las cadenas suele estar determinada por las características de fusión exigidas por la aplicación final específica. Para fabricar un producto de esta manera se requieren niveles de destilación muy precisos .
El material sensor de temperatura contenido en la copa transfiere presión al pistón por medio del diafragma y el tapón, mantenido firmemente en su posición por la guía. Al enfriarse, la posición inicial del pistón se obtiene mediante un resorte de retorno. Los elementos de membrana plana destacan especialmente por su alta precisión y, por ello, se utilizan principalmente en instalaciones sanitarias y de calefacción.
Los elementos Squeeze-Push contienen un componente en forma de funda de caucho sintético con forma de "dedo de un guante" que rodea el pistón. A medida que aumenta la temperatura, la presión de la expansión del material termostático mueve el pistón con un apretón lateral y un empuje vertical. Al igual que en el elemento de membrana plana, el pistón vuelve a su posición inicial mediante un resorte de retorno. Estos elementos son un poco menos precisos pero proporcionan un recorrido más largo.
La carrera es el movimiento del pistón con respecto a su punto de partida. La carrera ideal corresponde al rango de temperatura de los elementos. Según el tipo de elemento puede variar desde 1,5 mm hasta 16 mm.
El rango de temperatura se encuentra entre la temperatura de funcionamiento mínima y máxima del elemento. Los elementos pueden cubrir temperaturas que oscilan entre -15 °C y +120 °C. Los elementos pueden moverse en proporción al cambio de temperatura en alguna parte del rango, o pueden abrirse repentinamente alrededor de una temperatura particular, dependiendo de la composición de las ceras. [ cita necesaria ]
La histéresis es la diferencia observada entre la curva de carrera ascendente y descendente al calentar y enfriar el elemento. La histéresis está provocada por la inercia térmica del elemento y por la fricción entre las piezas en movimiento. [8]
Se recomienda instalar un termostato sensible a la temperatura que incorpore un elemento de expansión para regular la temperatura.
