Radiador (refrigeración del motor)

Los radiadores de los automóviles se componen de dos depósitos de expansión, metálicos o de plástico, unidos por un núcleo con numerosos conductos estrechos, lo que proporciona una gran superficie en relación con su 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 depósitos de expansión de latón. Los radiadores modernos incorporan núcleos de aluminio y, a menudo , ahorran dinero y peso utilizando depósitos de expansión de plástico con juntas. Esta construcción es más propensa a fallar y más difícil de reparar que los materiales tradicionales.

Un método de construcción anterior era el radiador de panal. Los tubos redondos se doblaban en forma de hexágonos en sus extremos, luego se apilaban y se soldaban. Como solo se tocaban en sus extremos, esto formaba lo que en efecto se convertía en un tanque de agua sólido con muchos tubos de aire en su interior. ^{[ 2 ]}

Algunos coches clásicos utilizan radiadores fabricados con tubos en espiral, una construcción menos eficiente pero más sencilla.

Los radiadores utilizaban inicialmente un flujo vertical descendente, impulsado únicamente por el efecto termosifón . ​​El refrigerante se calienta en el motor, pierde densidad y, por lo tanto, asciende. A medida que el radiador enfría el fluido, el refrigerante se vuelve más denso y desciende. Este efecto es suficiente para motores estacionarios de baja potencia , pero insuficiente para la mayoría de los automóviles, salvo los primeros. Durante muchos años, todos los automóviles han utilizado bombas centrífugas para hacer circular el refrigerante del motor, ya que la circulación natural tiene caudales muy bajos.

Generalmente, se incorpora un sistema de válvulas o deflectores, o ambos, para accionar simultáneamente un pequeño radiador dentro del vehículo. Este radiador, junto con el ventilador asociado, se denomina núcleo del calefactor y sirve para calentar el habitáculo. Al igual que el radiador principal, el núcleo del calefactor funciona extrayendo el calor del motor. Por este motivo, los técnicos automotrices suelen recomendar a los conductores que enciendan la calefacción y la ajusten a la máxima potencia si el motor se está sobrecalentando , para complementar la labor del radiador principal.

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 elevar su punto de ebullición . Generalmente, se incorpora una válvula de alivio de presión calibrada en el tapón de llenado del radiador. Esta presión varía según el modelo, pero suele oscilar entre 4 y 30 psi (30 y 200 kPa) . ^{[ 4 ]}  

A medida que la presión del sistema de refrigeración aumenta con la temperatura, llega un punto en el que la válvula de alivio de presión permite que escape el exceso de presión. Esto se detiene cuando la temperatura del sistema deja de subir. En caso de un radiador (o depósito de expansión) sobrellenado, la presión se libera permitiendo que escape una pequeña cantidad de líquido. Este puede simplemente drenar al suelo o recogerse 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, si se ha recogido exceso de líquido en una botella, este puede ser "aspirado" de nuevo al circuito principal de refrigeración. En otros casos, no.

Antes de la Segunda Guerra Mundial, el refrigerante del motor solía ser agua pura. El anticongelante se usaba únicamente para evitar la congelación, y esto generalmente solo se hacía en climas fríos. Si el agua pura se congela en el bloque del motor, puede expandirse al congelarse. Este efecto puede causar graves daños internos al motor debido a la expansión del hielo.

El desarrollo de motores de aeronaves de alto rendimiento requirió refrigerantes mejorados con puntos de ebullición más elevados, lo que llevó a la adopción de glicol o mezclas de agua y glicol. Esto, a su vez, propició la adopción de los 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 incluso más importante que el anticongelante, y en todas las regiones y estaciones del año.

Un depósito de expansión que se vacía puede provocar la vaporización del refrigerante, lo que puede causar un sobrecalentamiento localizado o general del motor. Si el vehículo funciona a una temperatura superior a la recomendada, pueden producirse daños graves. Esto puede resultar en fallos como juntas de culata dañadas y culatas o bloques de cilindros deformados o agrietados . En ocasiones, no habrá ninguna advertencia, ya que el sensor de temperatura que proporciona datos al indicador de temperatura (ya sea mecánico o eléctrico) está expuesto al vapor de agua, no al refrigerante líquido, lo que produce una lectura errónea y perjudicial.

Al abrir un radiador caliente, la presión del sistema disminuye, lo que puede provocar que hierva y expulse líquido y vapor peligrosamente calientes. Por lo tanto, los tapones de los radiadores suelen contener un mecanismo que intenta aliviar la presión interna antes de que el tapón 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 35hp . ^{[ 5 ]}

En ocasiones, cuando no es posible aumentar el tamaño del radiador original, es necesario equipar un coche con un segundo radiador, o auxiliar, para incrementar su capacidad de refrigeración. Este segundo radiador se conecta en serie con el radiador principal en el circuito. Este fue el caso cuando se incorporó el turbocompresor al Audi 100 , dando origen al 200. No deben confundirse con los intercoolers .

Algunos motores cuentan con un enfriador de aceite, un pequeño radiador independiente para enfriar el aceite del motor . Los automóviles con transmisión automática suelen tener conexiones adicionales al radiador, lo que permite que el fluido de la transmisión transfiera su calor al refrigerante del radiador. Estas pueden ser radiadores de aceite-aire, como una versión más pequeña del radiador principal. De forma más sencilla, pueden ser enfriadores de aceite-agua, donde se inserta un tubo de aceite dentro del radiador de agua. Si bien el agua está más caliente que el aire ambiente, su mayor conductividad térmica ofrece una refrigeración comparable (dentro de ciertos límites) a la de un enfriador de aceite menos complejo y, por lo tanto, más económico y fiable . Con menos frecuencia, el líquido de la 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 el aire de admisión , no para enfriar el motor.

Reducir la resistencia aerodinámica es un objetivo fundamental en el diseño de aeronaves, incluyendo el diseño de sistemas de refrigeración. Una técnica temprana consistía en aprovechar el abundante flujo de aire de la aeronave para reemplazar el núcleo de panal (con múltiples superficies y una alta relación superficie-volumen) por un radiador de superficie. Este sistema utiliza una única superficie integrada en el fuselaje o el revestimiento del ala, por donde circula el refrigerante a través de tuberías en la parte posterior de dicha superficie. Estos diseños se observaron principalmente en aeronaves de la Primera Guerra Mundial.

Debido a su gran dependencia de la velocidad del aire, los radiadores de superficie son aún más propensos a sobrecalentarse durante el vuelo en tierra. Se ha descrito que las aeronaves de carreras, como el Supermarine S.6B , un hidroavión de carreras con radiadores integrados en la superficie superior de sus flotadores, "volaban al límite de su rendimiento" debido a la temperatura. ^{[ 7 ]}

Los radiadores de superficie también han sido utilizados por algunos coches de carreras de alta velocidad, como el Blue Bird de Malcolm Campbell de 1928.

Generalmente, una limitación de la mayoría de los sistemas de refrigeración es que el fluido refrigerante no hierva, ya que la necesidad de gestionar los gases en circulación complica considerablemente el diseño. En un sistema refrigerado por agua, esto significa que la transferencia máxima de calor está limitada por el calor específico del agua y la diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente y los 100  °C. Esto proporciona una refrigeración más eficaz en invierno o a gran altitud, donde las temperaturas son bajas.

Otro efecto especialmente importante en la refrigeración de aeronaves es que la capacidad calorífica específica varía y el punto de ebullición disminuye con la presión, y esta presión cambia más rápidamente con la altitud que la temperatura. Por lo tanto, generalmente, los sistemas de refrigeración líquida pierden capacidad a medida que la aeronave asciende. Esto supuso una limitación 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 4572 metros (15 000  pies), y el diseño de sistemas de refrigeración se convirtió en un área de investigación prioritaria.

La solución más obvia y común a este problema consistía en hacer funcionar todo el sistema de refrigeración bajo presión. Esto mantenía la capacidad calorífica específica constante, mientras que la temperatura del aire exterior seguía descendiendo. De este modo, dichos sistemas mejoraban su capacidad de refrigeración a medida que aumentaba la temperatura. Para la mayoría de las aplicaciones, esto resolvió el problema de la refrigeración de motores de pistón de alto rendimiento, y casi todos los motores de aeronaves refrigerados por líquido de la Segunda Guerra Mundial utilizaron esta solución.

Sin embargo, los sistemas presurizados también eran más complejos y mucho más susceptibles a sufrir daños. Dado que el fluido refrigerante estaba bajo presión, incluso un daño menor en el sistema, como un orificio de bala de calibre de rifle, provocaría que el líquido saliera disparado rápidamente. Las fallas en los sistemas de refrigeración eran, con diferencia, la principal causa de fallas en los motores.

Si bien es más difícil construir un radiador de aeronave capaz de manejar vapor, no es en absoluto imposible. El requisito clave es proporcionar un sistema que condense el vapor y lo vuelva a convertir en líquido antes de que regrese a las bombas y complete el circuito de enfriamiento. Dicho sistema puede aprovechar el calor específico de vaporización , que en el caso del agua es cinco veces la capacidad calorífica específica en estado líquido. Se pueden obtener beneficios adicionales permitiendo que el vapor se sobrecaliente. Estos sistemas, conocidos como enfriadores evaporativos , fueron objeto de una considerable investigación en la década de 1930.

Consideremos dos sistemas de refrigeración similares que operan a una temperatura ambiente de 20  °C. Un sistema totalmente líquido podría operar entre 30  °C y 90  °C, ofreciendo  una diferencia de temperatura de 60 °C para disipar el calor. Un sistema de refrigeración evaporativa podría operar entre 80  °C y 110  °C. A primera vista, esta diferencia de temperatura parece mucho menor, pero este análisis ignora la enorme cantidad de energía térmica absorbida durante la generación de vapor, equivalente a 500  °C. En efecto, la versión evaporativa opera entre 80  °C y 560  °C, con una  diferencia de temperatura efectiva de 480 °C. Este sistema puede ser eficaz incluso con cantidades de agua mucho menores.

La desventaja del sistema de refrigeración por evaporación radica en la superficie de los condensadores necesaria para enfriar el vapor por debajo del punto de ebullición. Dado que el vapor es mucho menos denso que el agua, se requiere una superficie considerablemente mayor para proporcionar el flujo de aire suficiente para enfriarlo. El diseño del Rolls-Royce Goshawk de 1933 utilizaba condensadores convencionales tipo radiador, lo que resultó ser un grave problema de resistencia aerodinámica. En Alemania, los hermanos Günter desarrollaron un diseño alternativo que combinaba la refrigeración por evaporación con radiadores de superficie distribuidos por las alas, el fuselaje e incluso el timón de dirección. Se construyeron varios aviones con este diseño, estableciendo numerosos récords de rendimiento, especialmente el Heinkel He 119 y el Heinkel He 100. Sin embargo, estos sistemas requerían numerosas bombas para recircular el líquido desde los radiadores distribuidos, resultando extremadamente difíciles de mantener en funcionamiento y mucho más susceptibles a los daños en combate. Los esfuerzos por desarrollar este sistema se habían abandonado en general hacia 1940. La necesidad de refrigeración por evaporación pronto quedó eliminada por la amplia disponibilidad de refrigerantes a base de etilenglicol , que tenían un calor específico menor , pero un punto de ebullición mucho más alto que el agua.

Un radiador de aeronave contenido en un conducto calienta el aire que pasa a través de él, lo que provoca que el aire se expanda y gane velocidad. Esto se conoce como el efecto Meredith , y las aeronaves de pistón de alto rendimiento con radiadores de baja resistencia bien diseñados (en particular el P-51 Mustang ) obtienen empuje de él. El empuje era lo suficientemente significativo como para compensar la resistencia del conducto en el que estaba encerrado el radiador y permitía que la aeronave lograra una resistencia de enfriamiento nula. En un momento dado, incluso hubo planes para equipar un Mustang con un postquemador , inyectando combustible en el conducto de escape después del radiador y encendiéndolo. ^{[ 8 ]} La postcombustión se logra inyectando combustible adicional en el motor después del ciclo de combustión principal.

• Manual de servicio y reparación de Opel Omega y Senator . Haynes. 1996. ISBN 978-1-85960-342-0.