Los radiadores son intercambiadores de calor utilizados para enfriar motores de combustión interna , principalmente en automóviles pero también en aviones con motor de pistón, locomotoras de ferrocarril , motocicletas, plantas generadoras estacionarias o cualquier uso similar de dicho motor.
Los motores de combustión interna suelen enfriarse haciendo circular un líquido llamado refrigerante del motor a través del bloque del motor y la culata , donde se calienta, luego a través de un radiador donde pierde calor a la atmósfera y luego regresa al motor. El refrigerante del motor suele ser a base de agua, pero también puede ser aceite. Es común emplear una bomba de agua para forzar la circulación del refrigerante del motor, y también un ventilador axial [1] para forzar el aire a través del radiador.
En los automóviles y motocicletas con motor de combustión interna refrigerado por líquido , un radiador está conectado a canales que recorren el motor y la culata , a través de los cuales se bombea un líquido ( refrigerante ) mediante una bomba de refrigerante. Este líquido puede ser agua (en climas donde es poco probable que el agua se congele), pero es más común que sea una mezcla de agua y anticongelante en proporciones adecuadas al clima. El anticongelante en sí suele ser etilenglicol o propilenglicol (con una pequeña cantidad de inhibidor de corrosión ).
Un sistema de refrigeración automotriz típico comprende:
El proceso de combustión produce una gran cantidad de calor. Si se permitiera que el calor aumentara sin control, se produciría una detonación y los componentes externos al motor fallarían debido a la temperatura excesiva. Para combatir este efecto, el refrigerante circula por el motor, donde absorbe el calor. Una vez que el refrigerante absorbe el calor del motor, continúa su flujo hacia el radiador. El radiador transfiere el calor del refrigerante al aire que pasa.
Los radiadores también se utilizan para enfriar fluidos de transmisión automática , refrigerante del aire acondicionado , aire de admisión y, a veces, para enfriar el aceite del motor o el líquido de la dirección asistida . Un radiador generalmente se monta en una posición en la que recibe el flujo de aire del movimiento hacia adelante del vehículo, como detrás de una parrilla delantera. Cuando los motores están montados en el medio o en la parte trasera, es común montar el radiador detrás de una parrilla delantera para lograr un flujo de aire suficiente, aunque esto requiere tuberías de refrigerante largas. Alternativamente, el radiador puede extraer aire del flujo sobre la parte superior del vehículo o de una parrilla montada en el lateral. Para vehículos largos, como autobuses, el flujo de aire lateral es más común para la refrigeración del motor y la transmisión, y el flujo de aire superior es más común para la refrigeración del aire acondicionado.
Los radiadores de los automóviles están formados por un par de depósitos colectores de metal o plástico, unidos por un núcleo con muchos conductos estrechos, lo que proporciona una gran superficie en relación con el volumen. Este núcleo suele estar formado por capas apiladas de chapa metálica, prensadas para formar canales y soldadas entre sí. Durante muchos años, los radiadores se fabricaron con núcleos de latón o cobre soldados a colectores de latón. Los radiadores modernos tienen núcleos de aluminio y, a menudo, ahorran dinero y peso al utilizar colectores de plástico con juntas. Esta construcción es más propensa a fallar y se repara con menos facilidad que los materiales tradicionales.
Un método de construcción anterior fue el radiador de panal. Se forjaban tubos redondos en sus extremos con forma de hexágonos, luego se apilaban y se soldaban. Como solo se tocaban en sus extremos, esto formaba lo que en realidad se convirtió en un tanque de agua sólido con muchos tubos de aire atravesándolo. [2]
Algunos coches antiguos utilizan núcleos de radiador hechos de tubos en espiral, una construcción menos eficiente pero más simple.
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Los radiadores utilizaron primero un flujo vertical descendente, impulsado únicamente por un efecto termosifón . El refrigerante se calienta en el motor, se vuelve menos denso y, por lo tanto, sube. A medida que el radiador enfría el fluido, el refrigerante se vuelve más denso y desciende. Este efecto es suficiente para los motores estacionarios de baja potencia , pero inadecuado para todos, excepto los primeros automóviles. Todos los automóviles durante muchos años han utilizado bombas centrífugas para hacer circular el refrigerante del motor porque la circulación natural tiene caudales muy bajos.
Generalmente se incorpora un sistema de válvulas o deflectores, o ambos, para hacer funcionar simultáneamente un pequeño radiador dentro del vehículo. Este pequeño radiador, y el ventilador asociado, se denomina núcleo del calentador y sirve para calentar el interior de la cabina. Al igual que el radiador, el núcleo del calentador actúa extrayendo calor del motor. Por este motivo, los técnicos automotrices suelen aconsejar a los operadores que enciendan el calentador y lo configuren en alto si el motor se está sobrecalentando, para ayudar al radiador principal.
La temperatura del motor en los automóviles modernos está controlada principalmente por un termostato de tipo pastilla de cera , una válvula que se abre una vez que el motor ha alcanzado su temperatura óptima de funcionamiento .
Cuando el motor está frío, el termostato se cierra, excepto por un pequeño flujo de derivación, de modo que el termostato experimenta cambios en la temperatura del refrigerante a medida que el motor se calienta. El termostato dirige el refrigerante del motor a la entrada de la bomba de circulación y regresa directamente al motor, sin pasar por el radiador. Dirigir el agua para que circule solo a través del motor permite que el motor alcance la temperatura de funcionamiento óptima lo más rápido posible, evitando al mismo tiempo los "puntos calientes" localizados. Una vez que el refrigerante alcanza la temperatura de activación del termostato, este se abre, lo que permite que el agua fluya a través del radiador para evitar que la temperatura aumente aún más.
Una vez que se alcanza la temperatura óptima, el termostato controla el flujo de refrigerante del motor hacia el radiador para que el motor siga funcionando a la temperatura óptima. En condiciones de carga máxima, como conducir lentamente cuesta arriba con mucha carga en un día caluroso, el termostato se abrirá por completo porque el motor producirá una potencia casi máxima mientras la velocidad del flujo de aire a través del radiador es baja. (Al ser un intercambiador de calor, la velocidad del flujo de aire a través del radiador tiene un efecto importante en su capacidad para disipar el calor). Por el contrario, cuando se conduce a gran velocidad cuesta abajo en una autopista en una noche fría con un acelerador suave, el termostato estará casi cerrado porque el motor está produciendo poca potencia y el radiador puede disipar mucho más calor del que produce el motor. Permitir un flujo excesivo de refrigerante hacia el radiador provocaría que el motor se enfríe demasiado y funcione a una temperatura inferior a la óptima, lo que se traduciría en una menor eficiencia de combustible y un aumento de las emisiones de escape. Además, la durabilidad, la fiabilidad y la longevidad del motor a veces se ven comprometidas si algún componente (como los cojinetes del cigüeñal ) está diseñado para tener en cuenta la expansión térmica y ajustarse con las holguras correctas. Otro efecto secundario del enfriamiento excesivo es la reducción del rendimiento de la calefacción del habitáculo, aunque en casos típicos sigue expulsando aire a una temperatura considerablemente más alta que la ambiente.
Por lo tanto, el termostato se mueve constantemente a lo largo de su rango, respondiendo a los cambios en la carga de funcionamiento del vehículo, la velocidad y la temperatura externa, para mantener el motor a su temperatura de funcionamiento óptima.
En los autos antiguos, puede encontrar un termostato de fuelle, que tiene fuelles corrugados que contienen un líquido volátil como alcohol o acetona. Este tipo de termostatos no funcionan bien con presiones del sistema de enfriamiento superiores a aproximadamente 7 psi. Los vehículos de motor modernos generalmente funcionan a alrededor de 15 psi, lo que impide el uso del termostato de fuelle. En los motores con enfriamiento directo por aire, esto no es un problema para el termostato de fuelle que controla una válvula de aleta en los conductos de aire.
Otros factores influyen en la temperatura del motor, como el tamaño del radiador y el tipo de ventilador del radiador. El tamaño del radiador (y, por lo tanto, su capacidad de refrigeración ) se elige de modo que pueda mantener el motor a la temperatura de diseño en las condiciones más extremas a las que se puede enfrentar un vehículo (como subir una montaña con la carga completa en un día caluroso).
La velocidad del flujo de aire a través de un radiador es una influencia importante en el calor que disipa. La velocidad del vehículo afecta esto, en proporción aproximada al esfuerzo del motor, lo que proporciona una retroalimentación autorreguladora básica. Cuando el motor acciona un ventilador de refrigeración adicional, este también sigue la velocidad del motor de manera similar.
Los ventiladores accionados por motor suelen estar regulados por un embrague de ventilador de la correa de transmisión, que se desliza y reduce la velocidad del ventilador a bajas temperaturas. Esto mejora la eficiencia del combustible al no desperdiciar energía al accionar el ventilador innecesariamente. En los vehículos modernos, la velocidad de enfriamiento se regula aún más mediante ventiladores de radiador de velocidad variable o cíclicos. Los ventiladores eléctricos se controlan mediante un interruptor termostático o la unidad de control del motor . Los ventiladores eléctricos también tienen la ventaja de proporcionar un buen flujo de aire y enfriamiento a bajas revoluciones del motor o cuando están parados, como en el tráfico lento.
Antes del desarrollo de los ventiladores de transmisión viscosa y eléctricos, los motores estaban equipados con ventiladores fijos simples que aspiraban aire a través del radiador en todo momento. Los vehículos cuyo diseño requería la instalación de un radiador grande para hacer frente a un trabajo pesado a altas temperaturas, como los vehículos comerciales y los tractores, a menudo funcionaban fríos en climas fríos con cargas ligeras, incluso con la presencia de un termostato , ya que el radiador grande y el ventilador fijo causaban una caída rápida y significativa de la temperatura del refrigerante tan pronto como se abría el termostato. Este problema se puede resolver instalando un Persiana del radiador (o cubierta del radiador ) que se puede ajustar para bloquear parcial o totalmente el flujo de aire a través del radiador. En su forma más simple, la persiana es un rollo de material como lona o goma que se despliega a lo largo del radiador para cubrir la parte deseada. Algunos vehículos más antiguos, como los cazas monomotores SE5 y SPAD S.XIII de la Royal Aircraft Factory de la Primera Guerra Mundial, tienen una serie de persianas que se pueden ajustar desde el asiento del conductor o del piloto para proporcionar un cierto grado de control. Algunos automóviles modernos tienen una serie de persianas que la unidad de control del motor abre y cierra automáticamente para proporcionar un equilibrio de refrigeración y aerodinámica según sea necesario. [3]
Debido a que la eficiencia térmica de los motores de combustión interna aumenta con la temperatura interna, el refrigerante se mantiene a una presión superior a la atmosférica para aumentar su punto de ebullición . Por lo general, se incorpora una válvula de alivio de presión calibrada en la tapa de llenado del radiador. Esta presión varía según el modelo, pero normalmente oscila entre 4 y 30 psi (30 y 200 kPa). [4]
A medida que la presión del sistema de refrigeración aumenta con el aumento de la temperatura, llegará al punto en que la válvula de alivio de presión permitirá que escape el exceso de presión. Esto se detendrá cuando la temperatura del sistema deje de aumentar. En el caso de un radiador (o tanque de cabecera) demasiado lleno, la presión se ventila permitiendo que escape un poco de líquido. Este puede simplemente drenar al suelo o acumularse en un recipiente ventilado que permanece a presión atmosférica. Cuando se apaga el motor, el sistema de refrigeración se enfría y el nivel de líquido baja. En algunos casos en los que se ha acumulado exceso de líquido en una botella, este puede ser "succionado" de regreso al circuito principal de refrigeración. En otros casos, no es así.
Antes de la Segunda Guerra Mundial, el refrigerante del motor solía ser agua corriente. El anticongelante se utilizaba únicamente para controlar la congelación, y esto se hacía a menudo solo en climas fríos. Si se deja que el agua corriente se congele en el bloque del motor, el agua puede expandirse al congelarse. Este efecto puede causar graves daños internos al motor debido a la expansión del hielo.
El desarrollo de motores de aviación de alto rendimiento requirió refrigerantes mejorados con puntos de ebullición más altos, lo que llevó a la adopción de glicol o mezclas de agua y glicol. Esto llevó a la adopción de glicoles por sus propiedades anticongelantes.
Desde el desarrollo de los motores de aleación de aluminio o de metales mixtos, la inhibición de la corrosión se ha vuelto aún más importante que el anticongelante, y en todas las regiones y estaciones.
Un tanque de desbordamiento que funciona en seco puede provocar que el refrigerante se vaporice, lo que puede causar un sobrecalentamiento localizado o general del motor. Si se permite que el vehículo funcione a temperaturas superiores a las recomendadas, pueden producirse daños graves. Esto puede provocar fallas como juntas de culata quemadas y culatas o bloques de cilindros deformados o agrietados . A veces no habrá ninguna advertencia, porque el sensor de temperatura que proporciona datos para el indicador de temperatura (ya sea mecánico o eléctrico) está expuesto al vapor de agua, no al refrigerante líquido, lo que proporciona una lectura falsa y perjudicial.
Al abrir un radiador caliente, se reduce la presión del sistema, lo que puede provocar que hierva y expulse líquido y vapor a temperaturas peligrosas. Por lo tanto, las tapas de los radiadores suelen contener un mecanismo que intenta aliviar la presión interna antes de que la tapa se pueda abrir por completo.
La invención del radiador de agua para automóviles se atribuye a Karl Benz . Wilhelm Maybach diseñó el primer radiador de panal para el Mercedes de 35 CV . [5]
A veces es necesario que un coche esté equipado con un segundo radiador, o auxiliar, para aumentar la capacidad de refrigeración, cuando no se puede aumentar el tamaño del radiador original. El segundo radiador está conectado en serie con el radiador principal en el circuito. Este fue el caso cuando se equipó por primera vez el Audi 100 con turbocompresor, lo que dio origen al 200. No deben confundirse con los intercoolers .
Algunos motores tienen un enfriador de aceite, un pequeño radiador separado para enfriar el aceite del motor . Los automóviles con transmisión automática a menudo tienen conexiones adicionales al radiador, lo que permite que el fluido de transmisión transfiera su calor al refrigerante en el radiador. Estos pueden ser radiadores de aceite-aire, como una versión más pequeña del radiador principal. Más simplemente, pueden ser enfriadores de aceite-agua, donde se inserta un tubo de aceite dentro del radiador de agua. Aunque el agua está más caliente que el aire ambiente, su mayor conductividad térmica ofrece un enfriamiento comparable (dentro de los límites) de un enfriador de aceite menos complejo y, por lo tanto, más barato y más confiable [ cita requerida ] . Con menos frecuencia, el líquido de dirección asistida, el líquido de frenos y otros fluidos hidráulicos pueden enfriarse mediante un radiador auxiliar en un vehículo.
Los motores turboalimentados o sobrealimentados pueden tener un intercooler , que es un radiador aire-aire o aire-agua que se utiliza para enfriar la carga de aire entrante, no para enfriar el motor.
Los aviones con motores de pistón refrigerados por líquido (normalmente motores en línea en lugar de radiales) también requieren radiadores. Como la velocidad aerodinámica es mayor que la de los coches, estos se enfrían de forma eficiente en vuelo, por lo que no requieren grandes áreas ni ventiladores de refrigeración. Sin embargo, muchos aviones de alto rendimiento sufren problemas de sobrecalentamiento extremos cuando están en ralentí en tierra: apenas siete minutos para un Spitfire . [6] Esto es similar a lo que ocurre con los coches de Fórmula 1 de la actualidad: cuando están parados en la parrilla con los motores en marcha, necesitan aire canalizado forzado hacia sus cápsulas de radiador para evitar el sobrecalentamiento.
Reducir la resistencia aerodinámica es un objetivo importante en el diseño de aeronaves, incluido el diseño de sistemas de refrigeración. Una de las primeras técnicas consistía en aprovechar el abundante flujo de aire de una aeronave para sustituir el núcleo en forma de panal (muchas superficies, con una elevada relación superficie-volumen) por un radiador montado en la superficie. Esto utiliza una única superficie fusionada con el fuselaje o el revestimiento del ala, con el refrigerante fluyendo a través de tuberías en la parte posterior de esta superficie. Este tipo de diseños se vieron sobre todo en los aviones de la Primera Guerra Mundial.
Como dependen tanto de la velocidad aerodinámica, los radiadores de superficie son aún más propensos a sobrecalentarse cuando están en tierra. Se ha dicho que los aviones de competición como el Supermarine S.6B , un hidroavión de competición con radiadores integrados en las superficies superiores de sus flotadores, "vuelan con el indicador de temperatura" como principal límite de su rendimiento. [7]
Los radiadores de superficie también se han utilizado en algunos coches de carreras de alta velocidad, como el Blue Bird de Malcolm Campbell de 1928.
En general, una limitación de la mayoría de los sistemas de refrigeración es que el fluido refrigerante no debe hervir, ya que la necesidad de manipular el gas en el flujo complica enormemente el diseño. En el caso de un sistema refrigerado por agua, esto significa que la cantidad máxima de transferencia de calor está limitada por la capacidad calorífica específica del agua y la diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente y los 100 °C. Esto proporciona una refrigeración más eficaz en invierno o en altitudes más elevadas donde las temperaturas son bajas.
Otro efecto que es especialmente importante en la refrigeración de aeronaves es que la capacidad calorífica específica cambia y el punto de ebullición se reduce con la presión, y esta presión cambia más rápidamente con la altitud que la caída de temperatura. Por lo tanto, en general, los sistemas de refrigeración por líquido pierden capacidad a medida que el avión asciende. Esto fue una limitación importante en el rendimiento durante la década de 1930, cuando la introducción de los turbocompresores permitió por primera vez viajar cómodamente a altitudes superiores a los 15.000 pies, y el diseño de sistemas de refrigeración se convirtió en un área importante de investigación.
La solución más obvia y habitual a este problema era hacer funcionar todo el sistema de refrigeración bajo presión. Esto mantenía la capacidad calorífica específica a un valor constante, mientras que la temperatura del aire exterior seguía bajando. De este modo, estos sistemas mejoraban la capacidad de refrigeración a medida que subía. Para la mayoría de los usos, esto resolvió el problema de la refrigeración de los motores de pistón de alto rendimiento, y casi todos los motores de aviación refrigerados por líquido del período de la Segunda Guerra Mundial utilizaban esta solución.
Sin embargo, los sistemas presurizados también eran más complejos y mucho más susceptibles a sufrir daños: como el líquido refrigerante estaba bajo presión, incluso un daño menor en el sistema de refrigeración, como un solo orificio de bala del calibre de un fusil, haría que el líquido saliera rápidamente del orificio. Los fallos de los sistemas de refrigeración eran, con diferencia, la principal causa de averías en los motores.
Aunque es más difícil construir un radiador de avión que sea capaz de manejar vapor, no es en absoluto imposible. El requisito clave es proporcionar un sistema que condense el vapor nuevamente en líquido antes de pasarlo nuevamente a las bombas y completar el circuito de enfriamiento. Un sistema de este tipo puede aprovechar el calor específico de vaporización , que en el caso del agua es cinco veces la capacidad calorífica específica en forma líquida. Se pueden obtener ganancias adicionales al permitir que el vapor se sobrecaliente. Estos sistemas, conocidos como enfriadores evaporativos , fueron el tema de una considerable investigación en la década de 1930.
Consideremos dos sistemas de refrigeración que son similares en todo lo demás y que funcionan a una temperatura ambiente de 20 °C. Un diseño totalmente líquido podría funcionar entre 30 °C y 90 °C, ofreciendo una diferencia de temperatura de 60 °C para disipar el calor. Un sistema de refrigeración por evaporación podría funcionar entre 80 °C y 110 °C. A primera vista, parece una diferencia de temperatura mucho menor, pero este análisis pasa por alto la enorme cantidad de energía térmica absorbida durante la generación de vapor, equivalente a 500 °C. En efecto, la versión evaporativa funciona entre 80 °C y 560 °C, una diferencia de temperatura efectiva de 480 °C. Un sistema de este tipo puede ser eficaz incluso con cantidades mucho menores de agua.
La desventaja del sistema de refrigeración por evaporación es la superficie de los condensadores necesaria para enfriar el vapor por debajo del punto de ebullición. Como el vapor es mucho menos denso que el agua, se necesita una superficie correspondientemente mayor para proporcionar suficiente flujo de aire para enfriar el vapor. El diseño del Rolls-Royce Goshawk de 1933 utilizó condensadores convencionales similares a radiadores y este diseño resultó ser un serio problema de resistencia. En Alemania, los hermanos Günter desarrollaron un diseño alternativo que combinaba refrigeración por evaporación y radiadores de superficie distribuidos por todas las alas del avión, el fuselaje e incluso el timón. Se construyeron varios aviones utilizando su diseño y establecieron numerosos récords de rendimiento, en particular el Heinkel He 119 y el Heinkel He 100. Sin embargo, estos sistemas requerían numerosas bombas para devolver el líquido desde los radiadores distribuidos y demostraron ser extremadamente difíciles de mantener en buen funcionamiento, y eran mucho más susceptibles a sufrir daños en batalla. Los esfuerzos para desarrollar este sistema fueron abandonados en general en 1940. La necesidad de enfriamiento por evaporación pronto se vería anulada por la amplia disponibilidad de refrigerantes basados en etilenglicol , que tenían un calor específico más bajo , pero un punto de ebullición mucho más alto que el agua.
Un radiador de avión contenido en un conducto calienta el aire que pasa a través de él, haciendo que el aire se expanda y gane velocidad. Esto se llama efecto Meredith , y los aviones de pistón de alto rendimiento con radiadores de baja resistencia bien diseñados (notablemente el P-51 Mustang ) derivan empuje de él. El empuje era lo suficientemente significativo como para compensar la resistencia del conducto en el que estaba encerrado el radiador y permitió que el avión lograra una resistencia de enfriamiento cero. En un momento, incluso hubo planes para equipar al Supermarine Spitfire con un postquemador , inyectando combustible en el conducto de escape después del radiador y encendiéndolo [ cita requerida ] . La postcombustión se logra inyectando combustible adicional en el motor aguas abajo del ciclo de combustión principal.
Los motores de las plantas estacionarias se enfrían normalmente mediante radiadores, de la misma forma que los motores de los automóviles. Existen algunas diferencias exclusivas, según la planta estacionaria: se debe planificar cuidadosamente para garantizar un flujo de aire adecuado a través del radiador para garantizar una refrigeración adecuada. En algunos casos, se utiliza refrigeración por evaporación a través de una torre de refrigeración . [8]
