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 a menudo se enfrían 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 una bomba de refrigerante bombea un líquido ( refrigerante ). Este líquido puede ser agua (en climas donde es poco probable que el agua se congele), pero más comúnmente es una mezcla de agua y anticongelante en proporciones apropiadas para el clima. El anticongelante en sí suele ser etilenglicol o propilenglicol (con una pequeña cantidad de inhibidor de corrosión ).
Un sistema de refrigeración de automóvil 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 una temperatura excesiva. Para combatir este efecto, el refrigerante circula a través del motor, donde absorbe calor. Una vez que el refrigerante absorbe el calor del motor, continúa su flujo hacia el radiador. El radiador transfiere calor del refrigerante al aire que pasa.
Los radiadores también se utilizan para enfriar los líquidos de transmisión automática , el refrigerante del aire acondicionado , el aire de admisión y, a veces, para enfriar el aceite de motor o el líquido de la dirección asistida . Por lo general, un radiador se monta en una posición donde recibe el flujo de aire del movimiento hacia adelante del vehículo, como detrás de una parrilla delantera. Cuando los motores están montados en la parte central o trasera, es común montar el radiador detrás de una parrilla delantera para lograr un flujo de aire suficiente, aunque esto requiere tubos de refrigerante largos. Alternativamente, el radiador puede extraer aire del flujo sobre la parte superior del vehículo o de una parrilla montada lateralmente. Para vehículos largos, como autobuses, el flujo de aire lateral es más común para enfriar el motor y la transmisión, y el flujo de aire superior es más común para enfriar el aire acondicionado.
Los radiadores de automóviles están construidos con un par de tanques colectores de metal o plástico, unidos por un núcleo con muchos pasillos estrechos, lo que proporciona una gran superficie en relación con el volumen. Este núcleo suele estar hecho de capas apiladas de láminas de metal, prensadas para formar canales y soldadas entre sí . Durante muchos años, los radiadores se fabricaban con núcleos de latón o cobre soldados a cabezales de latón. Los radiadores modernos tienen núcleos de aluminio y, a menudo, ahorran dinero y peso al utilizar cabezales de plástico con juntas. Esta construcción es más propensa a fallar y menos fácil de reparar que los materiales tradicionales.
Un método de construcción anterior era el radiador alveolar. Los tubos redondos se estampaban formando hexágonos en sus extremos, luego se apilaban y soldaban. Como solo se tocaban en sus extremos, esto formó lo que en realidad se convirtió en un tanque de agua sólido con muchos tubos de aire a través de él. [2]
Algunos coches antiguos utilizan núcleos de radiador hechos de tubo enrollado, una construcción menos eficiente pero más sencilla.
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Los radiadores utilizaron por primera vez un flujo vertical descendente, impulsado únicamente por un efecto termosifón . El refrigerante se calienta en el motor, se vuelve menos denso y, por tanto, sube. A medida que el radiador enfría el líquido, el refrigerante se vuelve más denso y cae. Este efecto es suficiente para los motores estacionarios de baja potencia , pero inadecuado para todos los automóviles excepto los más antiguos. Durante muchos años, todos los automóviles han utilizado bombas centrífugas para hacer circular el refrigerante del motor porque la circulación natural tiene caudales muy bajos.
Se suele incorporar un sistema de válvulas o deflectores, o ambos, para accionar simultáneamente un pequeño radiador en el interior 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 eliminando calor del motor. Por esta razón, los técnicos automotrices suelen recomendar a los operadores que enciendan el calentador y lo pongan en alto si el motor se sobrecalienta, para ayudar al radiador principal.
La temperatura del motor en los automóviles modernos se controla principalmente mediante un termostato de tipo bolita 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 está cerrado 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 sólo a través del motor permite que el motor alcance la temperatura de funcionamiento óptima lo más rápido posible y al mismo tiempo evita "puntos calientes" localizados. Una vez que el refrigerante alcanza la temperatura de activación del termostato, se abre, permitiendo que el agua fluya a través del radiador para evitar que la temperatura suba más.
Una vez que se alcanza la temperatura óptima, el termostato controla el flujo de refrigerante del motor al radiador para que el motor continúe funcionando a la temperatura óptima. En condiciones de carga máxima, como conducir lentamente subiendo una colina empinada con mucha carga en un día caluroso, el termostato se abrirá completamente porque el motor producirá casi la potencia 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, al circular rápidamente cuesta abajo por una autopista en una noche fría con un acelerador ligero, el termostato estará casi cerrado. porque el motor produce poca potencia y el radiador es capaz de disipar mucho más calor del que produce el motor. Permitir un flujo excesivo de refrigerante al radiador provocaría que el motor se sobreenfriara y funcionara a una temperatura inferior a la óptima, lo que provocaría una menor eficiencia del combustible y un aumento de las emisiones de escape. Además, la durabilidad, confiabilidad y 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 para encajar con las holguras correctas. Otro efecto secundario del sobreenfriamiento es la reducción del rendimiento de la calefacción del habitáculo, aunque en casos típicos sigue soplando aire a una temperatura considerablemente más alta que la ambiente.
Por lo tanto, el termostato se mueve constantemente en todo su rango, respondiendo a los cambios en la carga operativa del vehículo, la velocidad y la temperatura externa, para mantener el motor a su temperatura operativa óptima.
En los coches antiguos es posible encontrar un termostato de fuelle, que tiene un fuelle corrugado que contiene un líquido volátil como alcohol o acetona. Estos tipos de termostatos no funcionan bien con presiones del sistema de enfriamiento superiores a aproximadamente 7 psi. Los vehículos de motor modernos normalmente funcionan a alrededor de 15 psi, lo que impide el uso del termostato de fuelle. En los motores enfriados por aire directo, esto no es una preocupación para el termostato de fuelle que controla una válvula de aleta en los conductos de aire.
Otros factores influyen en la temperatura del motor, incluido el tamaño del radiador y el tipo de ventilador del radiador. El tamaño del radiador (y, por tanto, su capacidad de refrigeración ) se elige de forma que pueda mantener el motor a la temperatura de diseño en las condiciones más extremas que pueda encontrar un vehículo (como escalar una montaña con la carga completa en un día caluroso). .
La velocidad del flujo de aire a través de un radiador influye de manera importante en el calor que disipa. La velocidad del vehículo afecta esto, en proporción aproximada al esfuerzo del motor, proporcionando así una cruda retroalimentación de autorregulación. Cuando el motor acciona un ventilador de refrigeración adicional, este también sigue la velocidad del motor de forma similar.
Los ventiladores impulsados por el motor suelen estar regulados por un embrague del ventilador de la correa de transmisión, que patina y reduce la velocidad del ventilador a bajas temperaturas. Esto mejora la eficiencia del combustible al no desperdiciar energía innecesariamente haciendo funcionar el ventilador. En los vehículos modernos, la velocidad de enfriamiento se regula aún más mediante ventiladores de radiador de velocidad variable o cíclicos. Los ventiladores eléctricos están controlados por un interruptor termostático o por la unidad de control del motor . Los ventiladores eléctricos también tienen la ventaja de proporcionar un buen flujo de aire y refrigeración a bajas revoluciones del motor o cuando está parado, como en el tráfico lento.
Antes del desarrollo de los ventiladores eléctricos y de transmisión viscosa, 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 trabajos pesados 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 , como el radiador grande y fijo. El ventilador provocó una caída rápida y significativa en la temperatura del refrigerante tan pronto como se abrió el termostato. Este problema se puede solucionar instalando un persiana del radiador (o cubierta del radiador ) al 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 Royal Aircraft Factory SE5 y SPAD S.XIII de la Primera Guerra Mundial , tienen una serie de contraventanas que se pueden ajustar desde el asiento del conductor o del piloto para proporcionar cierto grado de control. Algunos automóviles modernos tienen una serie de contraventanas 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 entre los modelos, pero normalmente oscila entre 4 y 30 psi (30 a 200 kPa). [4]
A medida que la presión del sistema de refrigerante aumenta con el aumento de la temperatura, llegará al punto en el 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 colector) demasiado lleno, la presión se ventila permitiendo que escape un poco de líquido. Esto puede simplemente escurrirse al suelo o recogerse en un recipiente ventilado que permanezca a presión atmosférica. Cuando se apaga el motor, el sistema de refrigeración se enfría y el nivel del líquido baja. En algunos casos en los que el exceso de líquido se ha acumulado en una botella, este puede ser "aspirado" de nuevo al circuito de refrigeración principal. En otros casos, no lo es.
Antes de la Segunda Guerra Mundial, el refrigerante del motor solía ser agua corriente. El anticongelante se utilizaba únicamente para controlar la congelación y, a menudo, esto sólo se hacía en climas fríos. Si se deja congelar agua corriente en el bloque de un motor, el agua puede expandirse a medida que se congela. Este efecto puede provocar graves daños internos al motor debido a la expansión del hielo.
El desarrollo de motores de aviones 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 motores de aleación de aluminio o de metales mixtos, la inhibición de la corrosión se ha vuelto incluso más importante que el anticongelante, y en todas las regiones y estaciones.
Un tanque de rebose que funciona en seco puede provocar la vaporización del refrigerante, lo que puede provocar un sobrecalentamiento localizado o general del motor. Pueden producirse daños graves si se permite que el vehículo funcione con una temperatura excesiva. El resultado pueden ser fallas como juntas de culata rotas 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 medidor de temperatura (ya sea mecánico o eléctrico) está expuesto al vapor de agua, no al líquido refrigerante, lo que proporciona una lectura dañinamente falsa.
Al abrir un radiador caliente, la presión del sistema disminuye, lo que puede hacer que hierva y expulse líquidos y vapor peligrosamente calientes. Por lo tanto, las tapas de los radiadores suelen contener un mecanismo que intenta aliviar la presión interna antes de que la tapa pueda abrirse 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 automóvil 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 del circuito. Este fue el caso cuando el Audi 100 fue turboalimentado por primera vez creando el 200. Estos 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 suelen tener conexiones adicionales al radiador, lo que permite que el líquido de la transmisión transfiera su calor al refrigerante del radiador. Estos pueden ser radiadores de aceite-aire o una versión más pequeña del radiador principal. Más simplemente, pueden ser enfriadores de agua y aceite, en los que 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 límites) de un enfriador de aceite menos complejo y, por lo tanto, más barato y confiable [ cita necesaria ] . Con menos frecuencia, el líquido de dirección asistida, el líquido de frenos y otros fluidos hidráulicos pueden ser enfriados por 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.
Las aeronaves con motores de pistón refrigerados por líquido (normalmente motores en línea en lugar de radiales) también requieren radiadores. Como la velocidad del aire es mayor que la de los automóviles, estos se enfrían eficientemente en vuelo y, por lo tanto, no requieren grandes áreas ni ventiladores de refrigeración. Sin embargo, muchos aviones de alto rendimiento sufren problemas extremos de sobrecalentamiento cuando están inactivos en tierra: apenas siete minutos para un Spitfire . [6] Esto es similar a los autos de Fórmula 1 de hoy en día: cuando están parados en la parrilla con los motores en marcha, necesitan conductos de aire forzados hacia las cápsulas del radiador para evitar el sobrecalentamiento.
Reducir la resistencia es un objetivo importante en el diseño de aeronaves, incluido el diseño de sistemas de refrigeración. Una de las primeras técnicas fue aprovechar el abundante flujo de aire de un avión para reemplazar el núcleo en forma de panal (muchas superficies, con una alta relación de superficie a volumen) por un radiador montado en la superficie. Utiliza una única superficie integrada en el fuselaje o el revestimiento del ala, y el refrigerante fluye a través de tuberías en la parte posterior de esta superficie. Estos diseños se vieron principalmente en aviones de la Primera Guerra Mundial.
Como dependen tanto de la velocidad del aire, los radiadores de superficie son aún más propensos a sobrecalentarse cuando están en tierra. Se ha descrito que los aviones de carreras como el Supermarine S.6B , un hidroavión de carreras con radiadores integrados en las superficies superiores de sus flotadores, "vuelan con el indicador de temperatura" como principal límite de su rendimiento. [7]
Algunos coches de carreras de alta velocidad también han utilizado radiadores de superficie, como el Blue Bird de Malcolm Campbell de 1928.
Generalmente, una limitación de la mayoría de los sistemas de enfriamiento es que no se permite que el fluido de enfriamiento hierva, ya que la necesidad de manejar el gas en el flujo complica enormemente el diseño. Para un sistema enfriado 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 100 °C. Esto proporciona un enfriamiento más eficaz en invierno o en altitudes más altas donde las temperaturas son bajas.
Otro efecto que es especialmente importante en el enfriamiento 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. Así, generalmente, los sistemas de refrigeración líquida pierden capacidad a medida que el avión asciende. Este fue un límite importante para 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 refrigeración se convirtió en un área importante de investigación.
La solución más obvia y común a este problema fue hacer funcionar todo el sistema de enfriamiento bajo presión. Esto mantuvo la capacidad calorífica específica en un valor constante, mientras que la temperatura del aire exterior siguió bajando. Por tanto, estos sistemas mejoraron la capacidad de refrigeración a medida que ascendían. Para la mayoría de los usos, esto resolvió el problema de enfriar los motores de pistón de alto rendimiento, y casi todos los motores de avión refrigerados por líquido del período de la Segunda Guerra Mundial utilizaron 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 rifle, causaría que el líquido saliera rápidamente del agujero. Los fallos de los sistemas de refrigeración fueron, 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 devolverlo 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 beneficios adicionales permitiendo que el vapor se sobrecaliente. Estos sistemas, conocidos como enfriadores evaporativos , fueron objeto de considerables investigaciones en los años 1930.
Considere dos sistemas de enfriamiento que por lo demás son similares y funcionan a una temperatura del aire ambiente de 20 °C. Un diseño totalmente líquido podría funcionar entre 30 °C y 90 °C, ofreciendo 60 °C de diferencia de temperatura para disipar el calor. Un sistema de enfriamiento evaporativo puede funcionar entre 80 °C y 110 °C. A primera vista, esto 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 resultar eficaz incluso con cantidades de agua mucho más pequeñas.
La desventaja del sistema de enfriamiento evaporativo es el área de los condensadores requerida 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 utilizaba condensadores convencionales tipo radiador y este diseño resultó ser un grave problema de resistencia. En Alemania, los hermanos Günter desarrollaron un diseño alternativo que combinaba refrigeración por evaporación y radiadores de superficie repartidos por las alas, el fuselaje e incluso el timón del avión. Se construyeron varios aviones basándose en su diseño y se 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 de los radiadores dispersos y resultaron extremadamente difíciles de mantener funcionando correctamente y eran mucho más susceptibles a sufrir daños en la batalla. Los esfuerzos para desarrollar este sistema se abandonaron en general en 1940. La necesidad de enfriamiento por evaporación pronto quedó anulada por la disponibilidad generalizada de refrigerantes a base de 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 lo atraviesa, lo que hace 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 (en particular, el P-51 Mustang ) obtienen empuje de él. El empuje fue lo suficientemente significativo como para compensar la resistencia del conducto en el que estaba encerrado el radiador y permitió que la aeronave lograra una resistencia de enfriamiento cero. En un momento, incluso hubo planes para equipar el 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 después del ciclo de combustión principal.
Los motores de las instalaciones estacionarias normalmente se enfrían mediante radiadores, del mismo modo que los motores de los automóviles. Existen algunas diferencias únicas, dependiendo de la planta estacionaria: se debe realizar una planificación cuidadosa para garantizar un flujo de aire adecuado a través del radiador para garantizar una refrigeración adecuada. En algunos casos, el enfriamiento evaporativo se utiliza a través de una torre de enfriamiento . [8]
