Los radiadores son intercambiadores de calor que se utilizan para enfriar motores de combustión interna, principalmente en automóviles pero también en aviación, locomotoras diésel, motocicletas, generadores eléctricos o en cualquier uso similar de dicho motor.
Los motores de explosión con refrigeración líquida evitan sobrecalentarse haciendo circular un fluido denominado refrigerante a través del bloque del motor, donde se calienta, desde donde es dirigido a un radiador en el que reduce su temperatura emitiendo calor a la atmósfera y luego regresa de nuevo al motor. El refrigerante del motor suele ser a base de agua, pero también puede ser aceite. Es común emplear una bomba para impulsar el refrigerante en el motor y también se suele disponer de un ventilador para forzar el paso del aire a través del radiador.
Automóviles y motocicletas
En los automóviles y motocicletas con motor de combustión interna refrigerado por líquido, se conecta un radiador a los canales que atraviesan el motor y la culata, a través de los que circula un líquido (refrigerante) impulsado por una bomba hidráulica. Puede ser una bomba eléctrica, pero mayormente es accionada por el mismo motor mediante la correa de accesorios, como en el caso del Yaris. 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 al clima. Los anticongelantes suelen estar fabricados a base de etilenglicol o propilenglicol, con una pequeña cantidad de productos anticorrosivos.
Un sistema de enfriamiento de automóvil típico comprende: Una serie de conductos embebidos en el bloque del motor y en la culata, que rodean las cámaras de combustión con líquido circulante para eliminar el calor. Un radiador, que consta de muchos tubos pequeños equipados con un panal de aletas para disipar el calor rápidamente, que recibe y enfría el líquido caliente procedente del motor. Una bomba hidráulica, generalmente de tipo centrífugo, para hacer circular el refrigerante a través del sistema. Un termostato para controlar la temperatura del motor, variando la cantidad de refrigerante que circula por el radiador. En ocasiones éste genera señales hacia el panel de instrumentos del vehículo, indicando que el motor está muy caliente o muy frío; o hacia el ventilador. Un vaso de expansión, dispuesto para absorber el aumento de volumen del líquido refrigerante cuando se calienta. Un ventilador para forzar el paso del aire exterior a través del radiador, especialmente cuando el vehículo circula a bajas velocidades o está parado con el motor en marcha. A veces lo acciona el termostato.
El radiador transfiere el calor del fluido del interior al aire del exterior, lo que enfría el fluido, que a su vez enfría el motor. Los radiadores también se utilizan a menudo para enfriar sistemas de transmisión automática, acondicionadores de aire, intercooler y, a veces, para enfriar el lubricante del motor o un fluido oleohidráulico. Normalmente se montan en una posición en la que reciben el flujo de aire del movimiento hacia adelante del vehículo, como detrás de la calandra (rejilla delantera). Cuando los motores están colocados en la parte central o trasera del coche, es común montar el radiador detrás de una rejilla delantera para lograr un flujo de aire suficiente, aunque esto requiere tubos para el refrigerante más largos. Alternativamente, un radiador trasero puede aprovechar el tiro del aire que circula sobre la parte superior del vehículo o de tomas situadas lateralmente. En vehículos de gran longitud, como los autobuses, el flujo de aire lateral es más común para el enfriamiento del motor y la transmisión; y el flujo de aire superior es más común para el enfriamiento del aire acondicionado.
Construcción del radiador El radiador de un automóvil está formado por dos depósitos colectores de metal o de plástico (normalmente, uno en la parte superior y otro en la inferior), unidos por un núcleo con muchos conductos muy finos, lo que les proporciona una gran superficie en relación con su volumen. Este núcleo generalmente está hecho de capas apiladas de láminas de metal, prensadas para formar canales y soldadas entre sí. Durante muchos años, los radiadores se fabricaron 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 mediante el uso de cabezales de plástico con juntas. Esta construcción es más propensa a fallar y es menos fácil de reparar que los materiales tradicionales.
Un método de construcción antiguo consistía en disponer los tubos del radiador en forma de panal de abeja, dando forma de hexágonos en sus extremos a un conjunto de tubos cilíndricos, posteriormente apilados y soldados. Como los tubos solo se tocaban en sus extremos, se disponía de un considerable espacio para la circulación del aire a través del conjunto de tubos.
Algunos coches antiguos usaban núcleos de radiador en el que se disponía un tubo enrollado en espiral, una construcción menos eficiente pero más simple.
Bomba del refrigerante
En los primeros motores de explosión, los radiadores aprovechaban el flujo vertical descendente del refrigerante, impulsado únicamente por un efecto denominado termosifón. El refrigerante se calienta en el motor, se vuelve menos denso y, por lo tanto, tiende a ascender. A medida que el radiador enfría el líquido, el refrigerante se vuelve más denso, y desciende. Este efecto es suficiente para los motores estacionarios de bajo consumo, pero inadecuado para la mayoría de los automóviles, excepto los más antiguos. Desde hace muchos años, la inmensa mayoría de los automóviles han utilizado una bomba centrífuga para hacer circular el refrigerante del motor, dado que la circulación natural tiene tasas de flujo muy bajas.
Calefacción Generalmente se incorpora un sistema de válvulas o deflectores, o ambos, para operar simultáneamente un pequeño radiador dentro del vehículo. Este pequeño radiador, y el ventilador asociado permiten calentar el habitáculo. Al igual que el radiador, el núcleo del sistema de calefacción actúa eliminando el calor del motor. Por esta razón, los técnicos automotrices a menudo aconsejan encender la calefacción y ponerla al máximo en caso de sobrecalentamiento del motor, para ayudar al radiador principal.
Control de temperatura Control de flujo de agua
La temperatura del motor en los automóviles modernos se controla principalmente mediante un tipo de termostato que utiliza una cápsula de cera, una válvula que se abre una vez que el motor ha alcanzado su temperatura de funcionamiento óptimo.
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 refrigerante del motor es dirigido por el termostato 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 alcance la temperatura de funcionamiento óptima lo más rápido posible, evitando "puntos calientes" localizados. Una vez que el refrigerante alcanza la temperatura de activación del termostato, este se abre, permitiendo que el agua fluya a través del radiador para evitar que la temperatura suba más.
Una vez que está a la temperatura óptima, el termostato controla el flujo del refrigerante del motor al radiador para que el motor continúe funcionando a la temperatura óptima. En condiciones de carga máxima, como conducir lentamente ascendiendo una fuerte rampa con el vehículo muy cargado en un día caluroso, el termostato se acercará a la apertura total debido a que el motor producirá casi la potencia máxima mientras que la velocidad del flujo de aire a través del radiador es baja (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 rápidamente cuesta abajo en una autopista en una noche fría, 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. Si se permite un flujo excesivo de refrigerante al radiador, el motor se enfriaría demasiado y funcionaría a una temperatura inferior a la óptima, lo que provocaría una disminución de la eficiencia del combustible y un aumento de las emisiones de escape. Si al contrario, se impide el flujo correcto de refrigerante, el motor se sobrecalentatá debido a que no dispone del refrigerante necesario para disipar su calor. Además, la durabilidad, fiabilidad y longevidad del motor a veces se ven comprometidas si algún componente (como los rodamientos del cigüeñal) está diseñado para tener en cuenta la dilatación térmica para que encajen con las dimensiones correctas. Otro efecto secundario del sobreenfriamiento es el rendimiento reducido de la calefacción en el habitáculo, aunque normalmente todavía circula aire a una temperatura considerablemente más alta que la del 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 en su temperatura de funcionamiento óptima.
Los automóviles antiguos solían utilizar un termostato tipo fuelle que contiene un líquido volátil como alcohol o acetona. Este tipo de termostatos no funcionan bien con presiones del sistema de enfriamiento superiores a aproximadamente . Los vehículos modernos normalmente funcionan a alrededor de , lo que excluye el uso del termostato de fuelle. En motores refrigerados directamente por aire, esto no es un problema para el termostato de fuelle, que controla una válvula de charnela en los conductos de aire.
Control del flujo 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 lo tanto su capacidad de enfriamiento) se elige de manera que pueda mantener el motor a la temperatura de diseño en las condiciones más extremas que pueda encontrar un vehículo (como ascender una rampa prolongada con la carga completa en un día caluroso).
La velocidad del flujo de aire a través de un radiador es un factor importante en el calor que disipa. La velocidad del vehículo condiciona este factor en proporción aproximada al esfuerzo del motor, dando así una simple retroalimentación autorreguladora. Cuando el motor acciona un ventilador de refrigeración adicional, también se ha realizado un seguimiento de la velocidad del motor de forma similar.
Los ventiladores impulsados por el motor a menudo están regulados por un embrague de ventilador ligado por una 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 en accionar el ventilador innecesariamente. En los vehículos modernos, los ventiladores de radiador de velocidad variable o cíclicos proporcionan una mayor regulación de la velocidad de enfriamiento. Los ventiladores eléctricos se controlan mediante un interruptor termostático o mediante la unidad de control de 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 estacionados, como en condiciones de tráfico lento.