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 plomería y calefacción fueron en Suecia (1970) y en Suiza (1971).
Los elementos termostáticos de cera transforman la energía térmica en energía mecánica utilizando la expansión térmica de las ceras cuando se derriten. 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 , plomería, industria y agricultura .
El termostato de refrigeración del motor de combustión interna mantiene la temperatura del motor cerca de su temperatura de funcionamiento óptima regulando el flujo de refrigerante a un radiador enfriado por aire . Esta regulación ahora se lleva a cabo mediante un termostato interno. Convenientemente, tanto el elemento sensor del termostato como su válvula de control pueden colocarse en la misma ubicación, lo que permite el uso de un termostato simple autónomo sin alimentación como el dispositivo principal para el control preciso de la temperatura del motor. [2] Aunque la mayoría de los vehículos ahora tienen un ventilador de refrigeración eléctrico controlado por temperatura, "la corriente de aire sin asistencia puede proporcionar suficiente enfriamiento hasta el 95% del tiempo" [3] y, por lo tanto, un ventilador de este tipo no es el mecanismo para el control primario de la temperatura interna.
Las investigaciones realizadas en la década de 1920 demostraron que el desgaste de los cilindros se agravaba por la condensación del combustible al entrar en contacto con una pared fría del cilindro, lo que eliminaba la película de aceite. El desarrollo del termostato automático en la década de 1930 resolvió este problema al garantizar un calentamiento rápido 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 tenían la forma de un 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 latón dentro del termostato. [5] [6] Como estos termostatos podían fallar durante el servicio, se diseñaron para que se pudieran reemplazar fácilmente durante el mantenimiento, generalmente montándolos debajo del accesorio de salida de agua en la parte superior del bloque de cilindros. Convenientemente, esta era también la parte más caliente y accesible del circuito de enfriamiento, lo que brindaba una respuesta rápida al calentarse.
Los circuitos de refrigeración tienen una pequeña vía de derivación incluso cuando el termostato está cerrado, normalmente mediante un pequeño orificio en el termostato. Esto permite que fluya suficiente agua de refrigeración para calentar el termostato cuando se calienta. También proporciona una vía de escape para el aire atrapado cuando se llena 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 ascendente. [5]
Los trabajos sobre 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 posguerra. Como el punto de ebullición del agua aumenta con el aumento de la presión, estos sistemas presurizados podían 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 térmica del refrigerante por volumen, lo que permitió sistemas de refrigeración más pequeños que requerían menos potencia de bombeo. [6] Un inconveniente del termostato de fuelle era que también era sensible a los cambios de presión, por lo que a veces podía cerrarse de nuevo por presión, lo que provocaba un sobrecalentamiento. [6] El tipo posterior de pellet de cera tiene un cambio insignificante en su volumen externo, por lo que es insensible a los cambios de presión. [6] Por lo demás, es idéntico en funcionamiento al tipo anterior. Muchos automóviles de la década de 1950, o antes, que originalmente se construyeron con termostatos de fuelle, fueron reparados posteriormente con termostatos de cápsula de cera de repuesto, sin requerir ningún cambio o adaptación.
Esta forma moderna más común de termostato ahora utiliza una pastilla de cera dentro de una cámara sellada. [6] En lugar de una transición de líquido a vapor, estos utilizan una transición de sólido a líquido, que para 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 opera 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 los termostatos de este tipo están disponibles para mantener diferentes temperaturas, típicamente en el rango de 70 a 90 ° C (160 a 200 ° F ). [7] Los motores modernos funcionan calientes, 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, lo que aumenta el flujo de refrigerante al radiador. Una vez que se alcanza la temperatura de funcionamiento óptima, 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 a medida que cambian la salida de calor del motor, la velocidad del vehículo y la 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 correctamente diseñado nunca estará completamente abierto o completamente cerrado mientras el motor esté funcionando normalmente, ya que se produciría un sobrecalentamiento o un sobreenfriamiento.
Los motores que requieren un control más estricto de la temperatura, ya que son sensibles al "choque térmico" causado por las subidas repentinas del refrigerante, pueden utilizar un sistema de "temperatura de entrada constante". En este sistema, la refrigeración de entrada al motor se controla mediante un termostato de doble válvula que mezcla un flujo de detección recirculante con el flujo de refrigeración del radiador. Estos utilizan 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 aún más el calentamiento del motor.
La cera que se utiliza en el termostato se fabrica especialmente para este fin. A diferencia de una cera de parafina estándar , que tiene un rango relativamente amplio de longitudes de cadena de carbono , una cera utilizada en la aplicación del termostato tiene un rango muy estrecho de cadenas de moléculas de carbono . La extensión de las cadenas suele estar determinada por las características de fusión que exige la aplicación final específica. Fabricar un producto de esta manera requiere niveles muy precisos de destilación .
El material sensor de temperatura contenido en la copa transmite presión al pistón por medio del diafragma y del obturador, que se mantienen firmemente en su posición gracias a la guía. Al enfriarse, la posición inicial del pistón se obtiene por medio de un resorte de retorno. Los elementos de diafragma planos se caracterizan especialmente por su alto nivel de precisión, por lo que se utilizan principalmente en instalaciones sanitarias y de calefacción.
Los elementos Squeeze-Push contienen un componente similar a una funda de caucho sintético con forma de "dedo de guante" que rodea el pistón. A medida que aumenta la temperatura, la presión de la expansión del material termostático mueve el pistón con una compresión lateral y un empuje vertical. Al igual que con el elemento de diafragma plano, el pistón regresa a su posición inicial por medio de un resorte de retorno. Estos elementos son ligeramente 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 de 1,5 mm a 16 mm.
El rango de temperatura se encuentra entre la temperatura mínima y máxima de funcionamiento del elemento. Los elementos pueden cubrir temperaturas que van desde -15 °C a +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 requerida ]
La histéresis es la diferencia que se observa entre la curva de ascenso y descenso al calentar y enfriar el elemento. La histéresis es causada por la inercia térmica del elemento y por la fricción entre las partes en movimiento. [8]
Se recomienda instalar un termostato sensible a la temperatura que incorpore un elemento de expansión para regular la temperatura.
