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 los motores 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 líquido 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
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) con un enfriador de aceite menos complejo y, por lo tanto, más económico y confiable. 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.
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 la 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 un viaje conveniente 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 sistema. 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 la década de 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 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 de los radiadores desplegados y resultó extremadamente difícil mantenerlos funcionando correctamente. , y eran mucho más susceptibles al daño de batalla. Los esfuerzos para desarrollar este sistema generalmente se abandonaron 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. La postcombustión se logra inyectando combustible adicional en el motor después del ciclo de combustión principal.
