Refrigeración de la tolva

La refrigeración por tolva es una forma sencilla de refrigeración por agua utilizada en motores estacionarios pequeños . La característica distintiva de la refrigeración por tolva, entre otros motores refrigerados por agua, es que no tiene radiador . El agua de refrigeración se calienta con el motor y se evapora de la superficie de la tolva en forma de vapor . ^{[ 2 ]}

Los motores de combustión interna son bastante ineficientes y requieren refrigeración para eliminar el calor residual que generan durante su funcionamiento. Los motores refrigerados por agua eliminan este calor de la zona de la culata rodeándola con una camisa de agua .

En la mayoría de los motores actuales, esta agua circula desde las partes calientes del motor hasta un radiador, donde cede su calor al aire.

En los motores antiguos y de baja potencia con refrigeración por tolva, la circulación del agua es mínima. En su lugar, el agua se evapora lentamente, y el calor de vaporización necesario para hervirla proviene del calor del motor. La pérdida de calor con la evaporación de este vapor de agua es suficiente para enfriar el motor. ^{[ 3 ]}

Dado que el calor de vaporización (energía necesaria para vaporizar el agua) es mucho mayor que el calor específico (energía necesaria para elevar la temperatura del agua en un grado), se requiere relativamente poca agua para reponer la que se pierde por evaporación. El calor necesario para hervir el agua equivale a un  aumento de temperatura de 540 °C, o aproximadamente 7 veces el necesario para elevar la temperatura del agua desde la temperatura ambiente hasta el punto de ebullición.

${\displaystyle {\frac {(2260{\text{J}}{\text{g}}^{-1}/4.1813{\text{J}}{\text{g}}^{-1}{\text{K}}^{-1})}{(100{\text{°C}}-20{\text{°C}})}}\approx 7}$

Un motor pequeño típico consumiría varios cubos de agua en una jornada laboral.

Aunque la refrigeración por tolva es ineficiente en términos de la cantidad de calor extraído para el tamaño de la camisa de agua, sí mantiene la temperatura del cilindro baja. Siempre que la tolva no se seque por completo, la temperatura no puede superar los 100 °C, el punto de ebullición atmosférica del agua. Esto tiene ventajas y desventajas: mantiene una temperatura de funcionamiento baja, lo que ayuda a preservar los frágiles anillos del pistón y las válvulas de escape de estos motores antiguos. Sin embargo, también limita la eficiencia de funcionamiento, ya que el motor no puede funcionar a una temperatura más alta y eficiente .

Los motores grandes utilizaban refrigeración por termosifón . ​​La tolva del motor se complementaba con un gran depósito de agua situado encima. Esto generaba cierta circulación entre ambos, pero, al no existir una gran superficie para la transferencia de calor al aire, como en un radiador, la refrigeración final se producía principalmente por evaporación.

Los motores refrigerados por tolva suelen ser monocilíndricos y, por lo general, de gasolina en lugar de diésel . Estos motores proliferaron entre las dos guerras mundiales, impulsando una amplia gama de maquinaria agrícola mediante transmisiones por correa plana. Su uso era intermitente y, normalmente, requería la presencia de un operario.

Para evitar daños por heladas, la tolva se podía vaciar fácilmente mediante un grifo de latón de gran diámetro. ^{[ 5 ]} Esto se hacía con regularidad, a veces después de cada uso, para evitar la oxidación en el interior de la tolva. Dado que el agua de refrigeración se evaporaba continuamente durante el funcionamiento, no se utilizaban anticongelantes ni aditivos anticorrosivos.

La refrigeración por tolva prácticamente ha desaparecido. Tras la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron motores más ligeros y eficientes que utilizaban refrigeración por aire . Estos se derivaron de los motores de motocicleta y aprovecharon los avances en la fundición de aluminio para fabricar bloques de cilindros de paredes delgadas con aletas de refrigeración integradas. Su funcionamiento es más sencillo y no requieren agua, control de nivel ni anticongelante.

Un puñado de motores, ahora en su mayoría diésel, conservaron la refrigeración por tolva hasta el siglo XXI. ^{[ 6 ]} Eran motores de construcción sencilla, que aún utilizaban bloques de hierro fundido para proporcionar mayor resistencia mediante una fundición rudimentaria, ya que un motor diésel requería más resistencia de la que podían ofrecer las fundiciones de aluminio poco sofisticadas. Los motores diésel horizontales monocilíndricos se fabricaban en India y China y se importaron brevemente a Occidente alrededor del año 2000, pero fueron prohibidos por las normativas de control de emisiones. ^{[ 7 ]}

Los grandes motores de aire caliente , como el Rider-Ericsson , también utilizaban refrigeración por tolva.

La refrigeración por evaporación o vapor se utilizó experimentalmente en motores de aeronaves de alta potencia en la década de 1930, en particular en el Rolls-Royce Goshawk . ^{[ 8 ]} Si bien ambos sistemas se basan en la evaporación, son bastante diferentes. La refrigeración por evaporación en aeronaves, al igual que los sistemas de radiadores, utilizaba un circuito cerrado con bombeo para el refrigerante, sin pérdidas. El vapor del refrigerante se capturaba en radiadores, o en este caso en condensadores , y se recirculaba.