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REFRIGERACIÓN - Definición - Significado

De la instalación con circulación por termosifón a la circulación forzada

• El circuito a presión

• Circuitos sellados y líquidos especiales

• La refrigeración por aire

• Puntos críticos

• El termostato

Todo motor está construido de manera que pueda ceder a la atmósfera una gran cantidad del calor producido por la combustión para mantener dentro de unos límites de seguridad la temperatura de sus órganos. El conjunto de las técnicas de construcción y funcionales empleadas para este fin se denomina, generalmente, sistema de refrigeración.

La temperatura máxima de funcionamiento de un motor está limitada por la resistencia mecánica y por las variaciones dimensionales por dilatación soportables por los órganos internos sin comprometer el funcionamiento. Los puntos críticos a este respecto son:

1) Las paredes interiores de los cilindros, donde la temperatura no debe superar los 150-300 °C con el fin de que no se produzcan cambios fisicoquímicos en el lubricante, con el consiguiente peligro de gripado, producción de depósitos de carbonilla, encolado de los segmentos y ovalizaciones por desgaste.

2) La superficie de la cámara de combustión no lubricada, donde al superarse 250 °C se compromete la duración de las válvulas, de las bujías y de la culata en los puntos de menor grosor entre los agujeros de las bujías y los asientos de las válvulas. Sin tener en cuenta la uniformidad de refrigeración de la culata, pueden producirse encendidos anormales por puntos calientes (detonación, preencendido).

3) El pistón, cuyo punto más caliente, casi en el centro de la cabeza, no debe superar 300 °C, puesto que, especialmente si es de aleación ligera, resultaría excesiva la disminución de su resistencia mecánica.

4) Las válvulas de escape que, aunque tengan un límite de 700-750 °C, están en peligro constante de corrosión rápida sobre la superficie del golpeteo y de reducción de la resistencia mecánica si falta el intercambio de calor a través de sus asientos en el breve período de cierre.

Como consecuencia, la temperatura en los cilindros no debe descender por debajo de ciertos valores para evitar que la parte de carburante que no se evapora se deposite sobre las paredes de los cilindros, se mezcle con el aceite de lubricación, se infiltre a través de los segmentos de retención y, junto con los gases, favorezca los fenómenos de corrosión y de desgaste rápido. El intervalo óptimo de funcionamiento es, por este motivo, bastante restringido.

El calor de los diferentes órganos internos es disipado por conducción metálica entre las zonas calientes y las frías rodeadas por el fluido de refrigeración. Los órganos son diseñados para favorecer esta conducción; es característico el caso de las válvulas de escape con el interior de sodio que, al pasar al estado líquido, transmite el calor a lo largo del vastago. El calor del motor es disipado al ambiente por el fluido de refrigeración que puede ser directamente el aire, que se hace circular sobre culatas y cilindros por medio de ventiladores, o simplemente por movimiento relativo del aire respecto al motor, o bien, el agua o un líquido refrigerante que actúa de intermediario, eliminando calor del motor y cediéndolo al ambiente por medio de un radiador.

Las primeras construcciones automovilísticas emplearon un circuito de refrigeración de agua con circulación por termosifón. Entre los fabricantes europeos que conservaron hasta épocas recientes dicho sistema debe citarse Renault.

 

El incesante progreso técnico hizo aumentar las exigencias de refrigeración a causa de las crecientes potencias, y disminuir el espacio disponible en el capó (cada vez más estilizado y consecuentemente con una sección frontal más reducida). En los últimos sistemas de refrigeración por termosifón el radiador estaba detrás del motor, donde era posible colocarlo en una posición más alta. La solución implicaba la inclusión de un árbol de arrastre entre la polea y el ventilador, y la dificultad de aflujo de aire fresco. Del sistema de refrigeración por termosifón se pasó a los sistemas de circulación forzada con bomba de agua y termostato, y, posteriormente, para mejorar la eficiencia, al circuito de presión y al empleo de líquidos especiales.

Para regular la circulación del liquido se utiliza un termostato colocado en el circuito del agua a la salida del motor y, en aplicaciones más recientes, en la entrada del motor; existen también ejemplos de termostatos aplicados al aire que afluye sobre el ventilador.

Durante mucho tiempo, los radiadores de los circuitos a presión conservaron el flujo vertical del líquido, característico de las instalaciones de termosifón. Sin embargo, el flujo vertical no es adecuado para los radiadores bajos y anchos, necesarios por las pequeñas secciones frontales de las líneas modernas, puesto que el líquido acaba por seguir unos recorridos más fáciles sin abarcar todo el haz de tubos. Entonces se difundieron los radiadores tropicales de flujo horizontal, que constituyen la aplicación más moderna.

Paralelamente al sistema de refrigeración por líquido se ha desarrollado el sistema por aire, experimentado con éxito en los motores de aviación. En Europa existen ejemplos típicos, como el «Escarabajo» de la Wolkswagen, el Fiat 500, el Porsche y el Citroen 2 CV.

En la refrigeración por aire, la culata y los cilindros están dotados de grandes aletas, paralelas a la dirección del movimiento del aire, que poseen amplias superficies de intercambio y que, respetando las necesidades tecnológicas de producción, están diseñadas para obtener el máximo rendimiento. Lógicamente, dichas aletas son más profundas y más extrechas en los puntos más calientes, las culatas; pueden tener sección rectangular o, más corrientemente, trapecial; a veces, se emplean deflectores especiales que canalizan el aire.

En la instalación de refrigeración por agua, el motor está dotado de una serie ae conductos y cavidades que hacen que el agua rodee completamente las camisas de los cilindros y la culata, evitando zonas donde el agua se retenga y procurando repartirla entre los diferentes puntos.

En el caso de los motores con camisas desmontables (las denominadas camisas húmedas) se aprovechan los espacios que se crean entre las camisas y la falda del bloque; en los motores con camisas integrales las cavidades para el agua se obtienen por mecanizado o directamente en la fundición. Dichos conductos terminan en una salida y en una entrada únicas. En la entrada se encuentra una bomba, generalmente centrífuga, accionada por el cigüeñal mediante transmisiones apropiadas, y, en la salida, una válvula termostática. Ésta tiene la función de evitar que el agua que circula en el motor vaya directamente al radiador hasta que haya alcanzado la temperatura de régimen. Por este motivo, dicha válvula cierra el circuito de salida del agua hacia el radiador y la devuelve a la bomba hasta alcanzar la temperatura deseada.

 

Por esta misma causa, en los motores refrigerados por aire se regula el aire que llega a las aletas, reduciendo la sección del conducto de aire con una trampilla móvil en la entrada o, más eficazmente, en la salida.

La estructura del radiador de panal, con tubos al tresbolillo, garantiza al máximo la superficie de intercambio entre aire y agua.

El paso del aire a través del radiador es favorecido por la aspiración producida por un ventilador movido por el motor mediante una transmisión de correa o, en casos especiales, por un electroventilador de mando termostático. Para permitir las variaciones de volumen por dilatación del líquido refrigerante se han empleado dos sistemas.

En el primero, el depósito de expansión está constituido por el extremo superior del radiador; el llenado del circuito se efectúa por este depósito. Sobre éste se encuentra y se monta el tapón tarado; por tanto, durante el funcionamiento el depósito se encuentra a presión.

En el segundo sistema se prevé un depósito suplementario que se comunica con el radiador y se encuentra a presión atmosférica. El paso del líquido es regulado por dos válvulas, en general incorporadas en el tapón, con dos tarados diversos, uno se abre cuando hay pequeñas depresiones en el circuito (~ 0,005 atm) y deja pasar el líquido desde el depósito suplementario, el otro se abre a altas presiones en el radiador (~ 0,5-0,9 atm), permitiendo el reflujo al depósito de agua que, por dilatación, no encuentra espacio en el circuito. Por tanto, el tapón desarrolla 3 funciones: permitir la introducción del líquido, mantener la presión del circuito al valor de proyecto con la válvula de tarado alto, y dejar refluir aire al radiador, cuando éste se encuentra en depresión por contracción del líquido, en los tipos con depósito de expansión a presión o, líquido en los demás.

Dado que los tarados dé estas válvulas son críticos y están sujetos a alteraciones por extracciones continuas del tapón, modernamente se tiende a separar las funciones del tapón no incluyendo en él las válvulas de tarado y colocándolo de manera que no tenga que desmontarse. Entonces el tapón deberá realizar solamente la función de mantener el circuito cerrado herméticamente.

La cantidad de calor que los gases de combustión ceden a las paredes de los cilindros puede calcularse con suficiente precisión, pero, en la práctica, los parámetros de refrigeración se establecen con cálculos de aproximación y después, para la construcción definitiva de la instalación, se realizan pruebas experimentales. Desde este punto de vista, se ha de tener en cuenta que el calor que debe disiparse varía con el tipo de ciclo, con la carga y con el número de revoluciones, y puede variar desde 1/6 a 1/3 del calor total introducido.

En el cálculo de las dimensiones de un radiador hay que tener en cuenta que una parte del calor es disipada directamente por el motor, al ser rodeado directamente por el aire, y otra gran proporción es absorbida por el líquido de lubricación.

La cantidad de calor que puede intercambiar un radiador en la unidad de tiempo se expresa por Q = KS (tmh-tna), donde K es el coeficiente de conductibilidad, S la superficie de intercambio y tmh y („, la media entre las temperaturas de entrada y de salida del agua y del aire, respectivamente. Si Ga es la masa de aire que atraviesa el radiador, K es función de Ga según la fórmula experimental: K= 6 + 8,5 G°-7 (Kcal/m2 h °C).

Una vez fijadas la temperatura máxima que puede alcanzar el agua, para evitar la ebullición en cualquier punto del circuito (th), y la temperatura máxima del aire ambiente (ta) que puede encontrarse en el funcionamiento normal, conociendo la potencia del motor es posible calcular las dimensiones S del radiador. Para reducir S, es necesario aumentar el caudal del agua, utilizando bombas más potentes, y reducir el grosor del radiador.

El radiador y el ventilador se proyectan con las dimensiones aptas para soportar las condiciones más desfavorables, como son, respectivamente: para el primero, la marcha prolongada a la velocidad y potencia máximas, y, para el segundo, la marcha en la potencia a baja velocidad o incluso con el vehículo parado y motor a la temperatura máxima. Sin embargo, los fabricantes de vehículos que emplean ventiladores no construidos por ellos, como son los electroventiladores, después de una valoración de cálculo y un análisis general de las características de los ventiladores, efectúan una puesta a punto experimental para encontrar el acoplamiento exacto entre ventilador y radiador y la mejor colocación dentro del capó del motor.

Las pruebas, aparte de las medidas del caudal global o parcial del agua y de la temperatura en el interior de puntos concretos del motor, están constituidas sobre todo por el control de las temperaturas de régimen con determinaciones por debajo del capó en puntos críticos o característicos. Las pruebas se realizan con vehíciüo parado y motor al ralentí, en cámaras climatizadas con varias temperaturas ambientales a diferentes cotas y en las diferentes condiciones de marcha.

La forma y los caudales de las bombas han sufrido modificaciones e incrementos tanto por las estructuras de los motores, cada vez más complejas (boxer, 6 cilindros en V) con mayores pérdidas de carga, como por las razones dimensionales ya descritas.

El modo más simple para aumentar el caudal de agua consiste en incrementar el número de revoluciones de la bomba, pero de esta manera puede llegarse al límite de cavitación de la misma. Otras causas de la cavitación son: una temperatura demasiado elevada del agua y la presencia de aire, aunque sólo sea en pequeñas burbujas, dentro del agua de refrigeración. Además, si se produce un fenómeno de este tipo, la formación de gas en correspondencia con las aletas implica una disminución de la resistencia a la rotación y, como consecuencia, un mayor aumento de la velocidad de rotación de la bomba. En otros términos, una bomba que comienza a cavitar produce un ambiente favorable para la estabilización del fenómeno.

Por término medio, se consiguen caudales de 40-70 1/CVh con velocidades de 3-3 m/s. Para mejorar las condiciones de funcionamiento del radiador convendría mantener muy caliente el agua en la salida, corriendo el riesgo de formación de vapor y de creación de vacío en la bomba. Para evitar este inconveniente, se pasó a la adopción de circuitos a presión: si se incrementa la presión aproximadamente 0,25 atm, se aumenta el límite de ebullición del agua 6-8 °C. Se pensó también en la substitución del agua por glicerina o, mejor aún, glicoletileno, que hierve a 180-800 °C, y a 150 °C posee una viscosidad igual a la del agua. El sistema, empleado en los motores de aviación, se resiste a introducirse en el sector, del automóvil, dada su escasez y su mayor coste respecto al agua. Sin embargo, en los circuitos sellados se emplean mezclas con glicol, pero más que aumentar el punto de ebullición (se aumenta sólo hasta 108 °C con mezclas del 50 % de volumen) se adoptan para rebajar el punto de congelación (con el mismo porcentaje, se rebaja hasta -39 °C). Los circuitos sellados que emplean estos líquidos se denominan permanentes.

En el caso de refrigeración por aire los inconvenientes pueden derivarse sólo del peligro de sobrecalentamiento, puesto que, siendo el coeficiente de transmisión del calor entre aire y pared aproximadamente 1/100 del que se obtiene entre pared y agua, es más difícil mantener uniforme y baja la temperatura de los diferentes puntos del cilindro y de la culata.

Para no correr el peligro de superar los valores de seguridad, por regla general es necesaria una puesta a punto, basada sobre todo en la eficiencia y en la naturaleza de la refrigeración debida al aceite lubricante, o bien, a su cantidad y al tiempo de permanencia en el cárter, adoptando muchas veces radiadores de aceite que, a veces, están situados en la instalación de circulación de aire.

En la puesta a punto del sistema de refrigeración por agua las mayores dificultades se encuentran, sobre todo, cuando la estructura general del motor no permite una circulación uniforme entre las superficies que deben enfriarse, tanto por la formación de remolinos como por la existencia de zonas de remanso, y cuando, por dificultades de llenado, existe la posibilidad de formación de bolsas de aire.

En los radiadores con depósito de expansión incorporado, el peligro es mayor, puesto que cuando se abre el termostato parte del aire es arrastrada por el agua y. tanto más, cuanto mayor es la velocidad de la corriente. Los radiadores de flujo horizontal están más expuestos a estos inconvenientes, por lo que se montan ligeramente inclinados. En los sistemas con depósito de expansión independiente aparecen menos inconvenientes. Para evitar que durante el llenado se forme una capa de aire en correspondencia con la válvula termostática cerrada, se realiza un agujero en ella para facilitar la salida del aire y que, además, tiene la ventaja de permitir una circulación, aunque moderada, del agua sobre el termostato. En algunos casos, sobre el circuito existe un grifo que es abierto durante el llenado.

El circuito de refrigeración puede ser controlado por el usuario determinando la temperatura en un punto representativo que es indicado por el fabricante; dicha temperatura es señalada en el tablero por un termómetro o por un testigo luminoso.

El exceso de temperatura puede llegar a quemar las juntas de retención y producir la deformación permanente de la culata. Puede ser debido a: insuficiencia de agua en el radiador, o a la existencia de conductos obstruidos en el radiador; a pérdidas de agua por las juntas y por las uniones de los manguitos; a corrosión y averías de la bomba; a desgastes de la correa trapecial de mando del ventilador o de la bomba que patina a regímenes altos; al radiador sucio en la parte frontal, que no deja pasar el aire; a escasez de aceite, que no contribuye a la refrigeración; a un avance de encendido inferior al establecido; a un termostato averiado; a carburación pobre; a incrustaciones en la cámara de combustión, y al tarado del tapón alterado.

Son especialmente peligrosas las pérdidas del circuito en el tramo anterior a la bomba. Muchas veces, se manifiestan como una simple infiltración de agua, pero durante las aceleraciones bruscas, la depresión de la bomba es tal que puede penetrar cierta cantidad de aire, con los peligros consiguientes: recuérdese la instintiva extracción del tapón del radiador cuando se enciende el piloto para controlar el nivel de agua. Si no se espera que se enfríe el agua, al quitar el tapón tarado se produce una caída de presión con una gran formación de vapor y una violenta y peligrosa expulsión de agua hirviendo.

Los tapones más modernos y perfeccionados son construidos de manera que el usuario, para desmontarlos, debe girarlos un cierto ángulo y después apretar hacia abajo, terminando la extracción desenroscándolos. En la primera rotación, disminuye la carga del muelle que mantiene cerrada la válvula de presión y permite la salida de vapor hacia el exterior o hacia el depósito suplementario. Dicho vapor empuja por debajo del tapón y eleva aún más la temperatura, obligando al usuario a desistir de la operación completa o, al menos, a protegerse con un trapo.

Cuando falte agua, el llenado hasta el nivel se efectúa con el motor en movimiento para eliminar el aire y mezclar el agua fría con la caliente ya existente en el circuito y disminuir las sobretensiones por diferente temperatura de los flujos de agua que rodean las paredes sobrecalentadas.

Podrían producirse también otras roturas si, por descenso de la temperatura del ambiente, el agua de refrigeración se helase, con el consiguiente aumento de volumen. Las posibles roturas se presentarían en los manguitos, en el radiador o incluso en el bloque. Si la congelación fuese parcial, se provocaría una obstrucción de los conductos y la imposibilidad de circulación del agua en las primeras fases de funcionamiento, de manera que en el bloque podrían producirse sobrecalentamientos locales. El peligro de congelación se evita añadiendo al agua un líquido anticongelante en cantidad proporcional a la temperatura exterior a la cual el agua debe mantenerse líquida.

Muchas veces, algunos usuarios, confiados en que alojan sus vehículos en garajes climatizados, se olvidan de emplear el líquido anticongelante durante el invierno: cuando el vehículo sale del garaje climatizado tiene una temperatura mucho más baja que la requerida para la apertura del termostato, y el agua que hay en el radiador, al ser éste traspasado por aire muy frío, puede helarse.

Asimismo, al agua se le pueden añadir substancias que disminuyen su dureza y limitan el depósito de los carbonatos de calcio. Entre esas substancias se encuentran el bicarbonato sódico puro, que. debe añadirse en pequeñas cantidades. Otras substancias a base de sodio, no experimentadas, pueden provocar corrosiones de las piezas de aluminio.

Cuando tenga que cambiarse el líquido, alguna pieza del circuito o efectuar su desincrustación interna, el agua puede descargarse a través de unos tapones o grifos apropiados previstos para este fin. Estas mismas operaciones pueden efectuarse también cuando se piense que el agua puede congelarse y no se disponga de anticongelante. Es conveniente dejar los tapones y grifos abiertos para permitir que salga toda el agua. En el circuito existen también agujeros de drenaje, como por ejemplo en el cuerpo de la bomba, a través de los cuales el líquido puede salir también lentamente. Al cerrar los tapones y grifos sin esperar que salga toda el agua, es posible que se formen depósitos que después pueden congelarse. Si afectan a la bomba, incluso pueden bloquearla.

Es desaconsejable también mantener abierto el capó del motor durante la marcha. Esta costumbre, que se ha difundido en los vehículos con motor trasero más por imitación que por utilidad, implica la desviación de toda la circulación de aire en el propio capó y, por tanto, la de los diferentes órganos sobre los que los fabricantes han realizado experiencias y medidas y de las cuales se hacen responsables.

Asimismo, la utilización de trampillas y persianas para el invierno ofrece dudosas ventajas y sólo deberían emplearse cuando lo aconseje el fabricante: hay casos en que estos accesorios son inútiles o perjudiciales, puesto que otros órganos son privados de la ventilación necesaria (colectores de escape, frenos).

La refrigeración de otros órganos del vehículo merece también ser mencionada. El aceite de lubricación elimina una notable cantidad de calor y debe ser refrigerado. En los casos en que las aletas normales no sean suficientes para la refrigeración, puede recurrirse al empleo de un radiador en serie con la bomba, como en los motores de cárter seco, o en paralelo, como en algunas preparaciones deportivas de motores de serie, o al de intercambiadores de aceite-agua usando la misma agua de refrigeración, como para algunos motores Diesel y Wankel. Dicha técnica aporta, además, la ventaja de calentar más rápidamente el agua y la de mantener ambos fluidos, aceite y agua, a una temperatura casi igual, lo que resulta difícil cuando las instalaciones de refrigeración de los mismos están separadas.

Las cajas de cambio y los diferenciales están alojados muchas veces en cárteres con aletas para la disipación del calor y esto es mucho más necesario en los cambios automáticos con convertidores de par.

En los vehículos de competición, la instalación de refrigeración es particularmente compleja por los problemas derivados de las altas temperaturas, la aerodinámica, la limitada y la distribución de los pesos. La limitación del calor afecta a muchas piezas y se utilizan un gran número de intercambiadores para todos los fluidos, tanto de refrigeración como de lubricación del motor y del grupo cambio-diferencial; muchas veces, incluso se refrigera el carburante para evitar la formación de burbujas de vapor en la instalación de inyección.

Basándose en consideraciones teóricas y en las más avanzadas experiencias en el sector aeronáutico, podrían obtenerse ulteriores avances de la experiencia y de la aplicación de dispositivos complejos, como la refrigeración del líquido de frenos o de la puesta a punto de nuevas formas de radiadores y de métodos de refrigeración. En este aspecto, sería muy importante la utilización de la energía residual de los gases de escape para producir una corriente de aire, con la posibilidad de refrigerar un radiador sin exponerlo a la corriente de aire en movimiento con evidentes ventajas aerodinámicas.

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