Poiché l'efficienza termica dei motori a combustione interna aumenta con la temperatura interna, il liquido di raffreddamento viene mantenuto a una pressione superiore a quella atmosferica per aumentare il suo punto di ebollizione. Una valvola limitatrice di pressione calibrata è solitamente incorporata nel tappo di riempimento del radiatore. Questa pressione varia a seconda dei modelli, ma in genere è compresa tra 4 e 30 psi (da 30 a 200 kPa).[4]
Man mano che la pressione del sistema di raffreddamento aumenta con l'aumento della temperatura, raggiungerà il punto in cui la valvola limitatrice di pressione consente la fuoriuscita della pressione in eccesso. Ciò si interromperà quando la temperatura del sistema smetterà di aumentare. Nel caso di un radiatore (o di un serbatoio di accumulo) troppo pieno, la pressione viene scaricata consentendo la fuoriuscita di un po' di liquido. Questo può semplicemente defluire al suolo oppure essere raccolto in un contenitore ventilato che rimane a pressione atmosferica. Quando il motore viene spento, il sistema di raffreddamento si raffredda e il livello del liquido diminuisce. In alcuni casi, quando il liquido in eccesso è stato raccolto in una bottiglia, questo potrebbe essere "risucchiato" nel circuito principale del refrigerante. In altri casi, non lo è.
Prima della seconda guerra mondiale, il liquido di raffreddamento del motore era solitamente acqua semplice. L'antigelo veniva utilizzato esclusivamente per controllare il congelamento e spesso veniva utilizzato solo quando faceva freddo. Se si lascia congelare l'acqua nel blocco di un motore, l'acqua può espandersi mentre congela. Questo effetto può causare gravi danni interni al motore a causa dell'espansione del ghiaccio.
Lo sviluppo di motori aeronautici ad alte prestazioni richiedeva refrigeranti migliorati con punti di ebollizione più elevati, che hanno portato all'adozione di glicole o miscele acqua-glicole. Ciò ha portato all'adozione dei glicoli per le loro proprietà antigelo.
Dallo sviluppo dei motori in alluminio o metalli misti, l'inibizione della corrosione è diventata ancora più importante dell'antigelo, e in tutte le regioni e stagioni.
Un serbatoio di troppopieno che funziona a secco può provocare l'evaporazione del liquido refrigerante, che può causare un surriscaldamento localizzato o generale del motore. Potrebbero verificarsi gravi danni se si lascia che il veicolo raggiunga una temperatura elevata. Il risultato potrebbero essere guasti come guarnizioni della testa bruciate e testate o blocchi cilindri deformati o incrinati. A volte non ci sarà alcun avviso, perché il sensore di temperatura che fornisce i dati per l'indicatore di temperatura (meccanico o elettrico) è esposto al vapore acqueo, non al liquido di raffreddamento, fornendo una lettura dannosamente falsa.
L'apertura di un radiatore caldo abbassa la pressione del sistema, che potrebbe provocarne l'ebollizione ed espellere liquido e vapore pericolosamente caldi. Pertanto, i tappi dei radiatori spesso contengono un meccanismo che tenta di alleviare la pressione interna prima che il tappo possa essere completamente aperto.
L'invenzione del radiatore ad acqua per automobili è attribuita a Karl Benz. Wilhelm Maybach progettò il primo radiatore a nido d'ape per la Mercedes 35 CV
A volte è necessario che un'auto sia dotata di un secondo radiatore, o ausiliario, per aumentare la capacità di raffreddamento, quando la dimensione del radiatore originale non può essere aumentata. Il secondo radiatore è collegato in serie al radiatore principale del circuito. Questo è stato il caso quando l'Audi 100 fu turbocompressa per la prima volta creando la 200. Questi non devono essere confusi con gli intercooler.
Alcuni motori sono dotati di un radiatore dell'olio, un piccolo radiatore separato per raffreddare l'olio motore. Le auto con cambio automatico spesso hanno collegamenti aggiuntivi al radiatore, consentendo al fluido della trasmissione di trasferire il suo calore al liquido di raffreddamento nel radiatore. Questi possono essere sia radiatori olio-aria, sia una versione più piccola del radiatore principale. Più semplicemente possono essere dei radiatori olio-acqua, dove all'interno del radiatore dell'acqua viene inserito un tubo dell'olio. Sebbene l'acqua sia più calda dell'aria ambiente, la sua maggiore conduttività termica offre un raffreddamento paragonabile (entro i limiti) a quello di un radiatore dell'olio meno complesso e quindi più economico e più affidabile. Meno comunemente, il liquido del servosterzo, il liquido dei freni e altri fluidi idraulici possono essere raffreddati da un radiatore ausiliario su un veicolo.
I motori turbo o sovralimentati possono avere un intercooler, che è un radiatore aria-aria o aria-acqua utilizzato per raffreddare la carica d'aria in entrata, non per raffreddare il motore.
Anche gli aerei con motori a pistoni raffreddati a liquido (solitamente motori in linea anziché radiali) richiedono radiatori. Poiché la velocità è maggiore rispetto a quella delle automobili, queste vengono raffreddate in modo efficiente durante il volo e quindi non richiedono grandi aree o ventole di raffreddamento. Molti aerei ad alte prestazioni, tuttavia, soffrono di gravi problemi di surriscaldamento quando sono al minimo a terra: solo sette minuti per uno Spitfire.[6] Questo è simile alle auto di Formula 1 di oggi, quando fermate sulla griglia con i motori accesi richiedono aria canalizzata forzata nei radiatori per evitare il surriscaldamento.
La riduzione della resistenza aerodinamica è uno degli obiettivi principali nella progettazione degli aeromobili, compresa la progettazione dei sistemi di raffreddamento. Una delle prime tecniche consisteva nello sfruttare l'abbondante flusso d'aria di un aereo per sostituire il nucleo a nido d'ape (molte superfici, con un elevato rapporto superficie/volume) con un radiatore montato sulla superficie. Questo utilizza un'unica superficie integrata nella fusoliera o nel rivestimento dell'ala, con il refrigerante che scorre attraverso i tubi nella parte posteriore di questa superficie. Tali progetti furono visti principalmente sugli aerei della prima guerra mondiale.
Poiché dipendono fortemente dalla velocità, i radiatori di superficie sono ancora più inclini al surriscaldamento durante la corsa al suolo. Gli aerei da corsa come il Supermarine S.6B, un idrovolante da corsa con radiatori integrati nelle superfici superiori dei galleggianti, sono stati descritti come "volati con l'indicatore della temperatura" come limite principale delle loro prestazioni.[7]
I radiatori di superficie sono stati utilizzati anche da alcune auto da corsa ad alta velocità, come la Blue Bird di Malcolm Campbell del 1928.
In genere, una limitazione della maggior parte dei sistemi di raffreddamento è che il fluido di raffreddamento non può bollire, poiché la necessità di gestire il gas nel flusso complica notevolmente la progettazione. Per un sistema raffreddato ad acqua, ciò significa che la quantità massima di trasferimento di calore è limitata dalla capacità termica specifica dell'acqua e dalla differenza di temperatura tra quella ambiente e 100 °C. Ciò fornisce un raffreddamento più efficace in inverno o ad altitudini più elevate dove le temperature sono basse.
Un altro effetto particolarmente importante nel raffreddamento degli aerei è che la capacità termica specifica cambia e il punto di ebollizione si riduce con la pressione, e questa pressione cambia più rapidamente con l'altitudine rispetto al calo di temperatura. Pertanto, in genere, i sistemi di raffreddamento a liquido perdono capacità man mano che l'aereo sale. Questo costituì un limite importante alle prestazioni durante gli anni '30, quando l'introduzione dei turbocompressori consentì per la prima volta viaggi convenienti ad altitudini superiori a 15.000 piedi e la progettazione del raffreddamento divenne un'importante area di ricerca.
La soluzione più ovvia e comune a questo problema era far funzionare l'intero sistema di raffreddamento sotto pressione. Ciò ha mantenuto la capacità termica specifica ad un valore costante, mentre la temperatura dell'aria esterna ha continuato a scendere. Tali sistemi hanno quindi migliorato la capacità di raffreddamento durante la salita. Per la maggior parte degli usi, ciò risolveva il problema del raffreddamento dei motori a pistoni ad alte prestazioni e quasi tutti i motori aeronautici raffreddati a liquido del periodo della Seconda Guerra Mondiale utilizzavano questa soluzione.
Tuttavia, i sistemi pressurizzati erano anche più complessi e molto più suscettibili ai danni: poiché il fluido di raffreddamento era sotto pressione, anche un danno minore nel sistema di raffreddamento, come un singolo foro di proiettile calibro di un fucile, avrebbe causato la rapida fuoriuscita del liquido dal sistema. buco. I guasti ai sistemi di raffreddamento erano di gran lunga la principale causa di guasti al motore.
Sebbene sia più difficile costruire un radiatore per aereo in grado di gestire il vapore, non è affatto impossibile. Il requisito fondamentale è fornire un sistema che condensi il vapore in liquido prima di reimmetterlo nelle pompe e completare il circuito di raffreddamento. Un tale sistema può sfruttare il calore specifico di vaporizzazione, che nel caso dell'acqua è cinque volte la capacità termica specifica in forma liquida. Ulteriori vantaggi si possono ottenere consentendo al vapore di surriscaldarsi. Tali sistemi, noti come raffreddatori evaporativi, furono oggetto di numerose ricerche negli anni '30.
Consideriamo due sistemi di raffreddamento altrimenti simili, funzionanti a una temperatura dell'aria ambiente di 20 °C. Un design completamente liquido potrebbe funzionare tra 30 °C e 90 °C, offrendo 60 °C di differenza di temperatura per eliminare il calore. Un sistema di raffreddamento evaporativo potrebbe funzionare tra 80 °C e 110 °C. A prima vista sembra che si tratti di una differenza di temperatura molto inferiore, ma questa analisi trascura l’enorme quantità di energia termica assorbita durante la generazione di vapore, equivalente a 500 °C. In effetti, la versione evaporativa funziona tra 80 °C e 560 °C, una differenza di temperatura effettiva di 480 °C. Un tale sistema può essere efficace anche con quantità di acqua molto minori.
Lo svantaggio del sistema di raffreddamento evaporativo è l'area dei condensatori necessaria per raffreddare il vapore al di sotto del punto di ebollizione. Poiché il vapore è molto meno denso dell'acqua, è necessaria una superficie corrispondentemente maggiore per fornire un flusso d'aria sufficiente a raffreddare il vapore. Il progetto Rolls-Royce Goshawk del 1933 utilizzava condensatori convenzionali simili a radiatori e questo progetto si rivelò un serio problema per la resistenza. In Germania, i fratelli Günter svilupparono un design alternativo che combinava il raffreddamento evaporativo e radiatori di superficie distribuiti su tutte le ali dell'aereo, sulla fusoliera e persino sul timone. Diversi velivoli furono costruiti utilizzando il loro design e stabilirono numerosi record di prestazioni, in particolare l'Heinkel He 119 e l'Heinkel He 100. Tuttavia, questi sistemi richiedevano numerose pompe per restituire il liquido dai radiatori sparsi e si rivelarono estremamente difficili da mantenere correttamente funzionanti. , ed erano molto più suscettibili ai danni in battaglia. Gli sforzi per sviluppare questo sistema furono generalmente abbandonati nel 1940. La necessità del raffreddamento evaporativo fu presto annullata dalla diffusa disponibilità di refrigeranti a base di glicole etilenico, che avevano un calore specifico inferiore, ma un punto di ebollizione molto più alto dell'acqua.
Il radiatore di un aereo contenuto in un condotto riscalda l'aria che lo attraversa, provocandone l'espansione e l'aumento della velocità. Questo è chiamato effetto Meredith e gli aerei a pistoni ad alte prestazioni con radiatori a bassa resistenza ben progettati (in particolare il P-51 Mustang) ne traggono la spinta. La spinta è stata sufficientemente significativa da compensare la resistenza del condotto in cui era racchiuso il radiatore e ha consentito all'aereo di raggiungere una resistenza di raffreddamento pari a zero. Ad un certo punto, c'erano persino dei piani per dotare il Supermarine Spitfire di un postcombustore, iniettando carburante nel condotto di scarico dopo il radiatore e accendendolo. La postcombustione si ottiene iniettando ulteriore carburante nel motore a valle del ciclo di combustione principale.
