Raffreddamento a liquido

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Termometro del refrigerante, nel cruscotto di un'autovettura

L'impianto di raffreddamento a liquido si basa sul mantenimento di una temperatura in un intervallo quanto più costante possibile di un motore termico, di una camera termostatata, di armi da fuoco e di altri apparati tecnologici quali i microprocessori usati in elettronica, tramite un sistema idraulico.
Il trasferimento termico dall'elemento da raffreddare al fluido, avviene principalmente per convezione, e quindi per scambio di calore sensibile, per i sistemi che non prevedono una transizione di fase del fluido refrigerante, o per scambio di calore latente nel caso di un cambiamento, come ad esempio avviene nei cicli frigoriferi.

Tipi di sistemi[modifica | modifica sorgente]

schema di raffreddamento di un reattore nucleare a neutroni veloci refrigerato a piombo

Ad un primo livello i sistemi di raffreddamento a liquido possono suddividersi in:

  • Sistemi di raffreddamento ad acqua, e soluzioni acquose
  • Sistemi di raffreddamento a olio, o simili fluidi apolari
  • Sistemi di raffreddamento mediante altri liquidi

Per i primi sistemi, il liquido refrigerante, che in tempi passati era costituito da semplice acqua distillata, o altri composti semplici, oggi è una miscela, dove, per i motori termici, all'acqua viene aggiunto l'antigelo che, per le proprietà colligative ha l'effetto di innalzare il punto d'ebollizione e abbassare quello di congelamento del liquido, potendo anche proteggere le parti metalliche da corrosione e ossidazione. In genere necessitano di un sistema di circolazione del fluido come una pompa, e lavorano, anche sotto pressione, nell'ambito di temperature per cui il fluido rimane allo stato liquido, non troppo oltre il centinaio di gradi celsius.

I secondi sistemi utilizzano diversi tipi di oli, in genere minerali (idrocarburi, oli siliconici, cloro- o/e fluorocarburi), a volte sono sistemi più semplici muniti solo di un radiatore e circolazione passiva, e possono lavorare anche a temperature dell'ordine di alcune centinaia di gradi celsius.

Gli ultimi sistemi incorporano una varietà di liquidi di tipo specifico per l'applicazione in oggetto, da metalli ai sali inorganici fusi. Si cita, come esempio, il raffreddamento tramite sodio, piombo, o leghe metalliche, dei noccioli di reattori nucleari di alcune tipologie di centrali nucleari, con temperature di esercizio dei fluidi refrigeranti anche prossimi al migliaio di gradi.

Il raffreddamento in elettronica e elettrotecnica[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Raffreddamento a liquido per PC.
Unità di raffreddamento a liquido di un microprocessore

Noto alla maggior parte dell'utenza per l'uso del waterblock ed altri componenti nel raffreddamento del chip che richiede di essere raffreddato dal liquido, viene usato per mantenere la temperatura costante in parti hardware tra cui la CPU, il processore della scheda grafica, le memorie e altri chip come il Northbridge. In elettronica, il problema del raffreddamento a liquido che in passato era relegato principalmente in sistemi appartenenti all'elettrotecnica di potenza, quali i trasformatori, raffreddati ad olio, anche con circolazione forzata al pari di un impianto di tipo automobilistico, con l'aumentare della potenza di calcolo e della frazione dissipata in calore, ha toccato anche i piccoli apparati appartenenti all'elettronica di consumo. Principale responsabile della generazione di calore nei sistemi percorsi da correnti elettriche è l'effetto Joule, del componente sotto tensione o delle parti metalliche soggette a correnti parassite indotte. I primi liquidi utilizzati in elettrotecnica, e tuttora in uso, furono oli minerali, spesso alogenati. Alla minore capacità termica, si univa però un alto punto d'ebollizione, un'alta stabilità chimica alle temperature d'esercizio e la sicurezza di disporre di un liquido elettricamente isolante. Nei processori funzionanti a frequenze elettriche elevate, la potenza dissipata è una funzione lineare della frequenza di funzionamento. I chip logici arrivano spesso ad elevatissime frequenze, nell'ordine di diversi gigahertz, con conseguenti problemi di raffreddamento, necessario allo scopo di preservarne l'integrità e l'efficienza.

Il raffreddamento ad acqua nei motori termici[modifica | modifica sorgente]

Organi principali dell'impianto di raffreddamento ad acqua nei motori termici[modifica | modifica sorgente]

Confronto di una girante per motociclo e l'applicazione nella pompa acqua
  • Pompa idraulica: ha la funzione di far circolare il liquido refrigerante dentro le apposite cavità del motore.
    • Tradizionale: Essa è costituita da una girante azionata generalmente dalla rotazione del motore stesso (nelle automobili mediante la cinghia dei servizi), questa pompa è presente solo negli impianti forzati (che attualmente rappresentano la totalità di questo tipo di raffreddamento sui veicoli di trasporto), ma non è presente sugli impianti a raffreddamento libero.
    • Elettrica: Essa è costituita da una girante azionata da un motore elettrico, in modo da conferire una portata variabile non al variare del regime del motore, ma al variare della temperatura d'esercizio secondo precise curve, questa soluzione permette anche di non dover ricorrere all'uso della valvola termostatica[1]
  • La valvola termostatica bypass: ha la funzione di far entrare più velocemente il motore al regime termico di funzionamento ottimale, per i sistemi provvisti di questo accorgimento quando ad esempio il motore si è appena avviato il liquido è ancora freddo e impedisce al liquido refrigerante di passare per il radiatore, facendolo circolare solamente nel blocco motore, in modo da facilitarne il rapido riscaldamento, almeno fino alla temperatura di 70/80° (la temperatura varia da sistema a sistema). Superate tali temperature, la valvola si apre.
Solo per i sistemi a circuito aperto[modifica | modifica sorgente]

Circuiti in cui il liquido non viene mantenuto chiuso in un circuito, ma si usa il liquido che avvolge il motore dato che questo ne è immerso o adiacente, altri sistemi si definiscono semichiusi, dove si ha un circuito interno del motore che viene messo a contatto con un circuito esterno[2].

  • Presa del liquido, questa è una presa che raccoglie il liquido fresco che avvolge il motore (acqua di mare, come nel caso di moto d'acqua).
  • Scarico del liquido, feritoia da cui fuoriesce il liquido una volta usato..
Solo per i sistemi a circuito chiuso[modifica | modifica sorgente]
Classico radiatore automobilistico
Radiatori automobilistici a doppia griglia tubi, a sinistra con griglie sfalsate, a destra con griglie parallele

Circuiti in cui il liquido viene mantenuto chiuso/stagno in un circuito e si usa una ben determinata quantità di liquido.

  • Radiatore: è costituito da un serbatoio atto a far raffreddare il liquido proveniente dal monoblocco. Esso è costituito da una griglia di tubicini ed alette che, attraverso l'immissione di aria esterna, consentono un rapido abbassamento della temperatura del liquido.
  • Ventola (non sempre presente): aiuta il radiatore nell'operazione di raffreddamento del liquido, qualora il passaggio dell'aria non fosse sufficiente all'abbassamento della temperatura (ad esempio, quando il veicolo è fermo a motore acceso, quando è impegnato in una salita o in giornate particolarmente calde). La ventola, una volta alimentata direttamente dal motore, oggi è collegata a un motorino elettrico, ed attivata dall'interruttore termostatico.
  • Interruttore termostatico: è un interruttore posto nelle vicinanze del radiatore e che, quando la temperatura del liquido supera una data soglia (generalmente i 90° per i 4T e 60°≈70° per i 2T), chiude un circuito elettrico che mette in azione la ventola.
Spia della temperatura eccessiva
  • La spia luminosa: è un indicatore di allarme che si illumina quando la temperatura del liquido raggiunge l'ebollizione.
  • L'indicatore sul cruscotto: è un indicatore della temperatura del liquido.
  • Vaso di espansione: è un piccolo serbatoio con diverse funzioni, l'eventuale rifornimento di liquido mancante nell'impianto di raffreddamento, la raccolta di quello eventualmente in ebollizione nell'impianto e di eventuali sfiati, per impedirne la fuoriuscita all'esterno, diminuire gli sbalzi di pressione nell'impianto e regolare la pressione massima grazie ad un tappo munito di valvole.

Ciclo dell'impianto nei motori termici raffreddati ad acqua[modifica | modifica sorgente]

Il ciclo del raffreddamento a liquido se munito di valvola termostatica, varia a seconda della temperatura a cui si trova, nel caso la sua temperatura sia minore di quella d'esercizio, si avrà un ciclo, mentre a temperatura di regime se ne avrà un altro.

  • Temperatura sotto il regime: All'accensione del motore, il liquido viene messo in circolazione e movimento dalla pompa idraulica, che lo fa scorrere nel circuito presente nel monoblocco motore, portandolo ad assorbire il calore delle sue varie parti, senza che tale liquido abbia la possibilità di raffreddarsi, costretto a passare per un canale che bypassa il radiatore e chiude il circuito, fino a che non raggiunge una temperatura sufficiente ad aprire la valvola termostatica e iniziare così il ciclo a temperatura.
  • Temperatura a regime o superiore: Una volta che il liquido è a temperatura di funzionamento, la valvola termostatica incomincia ad aprirsi e adattare la sua apertura a seconda di quanto calore deve dissipare il liquido, con l'ausilio o meno della ventola di raffreddamento, consentendo al liquido d'essere pompato al radiatore. Una volta raffreddato il liquido, questo ritorna nel monoblocco per ricominciare il ciclo a temperatura.

In molti veicoli il liquido del circuito di raffreddamento del motore viene usato anche per eventuali necessità di riscaldamento dell'abitacolo della vettura; tramite una valvola azionabile dai comandi presenti nel cruscotto (un selettore - spesso una leva o di tipo rotativo - che varia tra "aria fredda"-blu e "aria calda"-rosso), si può infatti far circolare l'acqua di raffreddamento del motore - da esso scaldata - anche in un circuito secondario, comprensivo di radiatore e ventola dedicati, appositamente realizzato per riscaldare l'abitacolo dissipandovi una parte regolabile del calore del liquido di raffreddamento, ciò grazie all'immissione di un flusso d'aria calda di portata più o meno grande, generato da una ventola la cui accensione e velocità è gestita da ulteriori comandi sul cruscotto. Il medesimo circuito pùo venire quindi anche utilizzato per introdurre aria a temperatura ambiente all'interno dell'abitacolo, semplicemente chiudendo l'accesso dell'acqua (calda) proveniente dal motore tramite il selettore del cruscotto sù citato (in modo che in breve il liquido presente nel circuito si raffredda e cessa di scaldare l'aria), o per creare un flusso d'aria della temperatura desiderata limitando la quantità d'acqua calda che viene fatta circolare dal suo interno al circuito del motore/radiatore; a motore freddo (temperatura sotto il regime), è per tanto opportuno evitare di attivare la ventola per l'immissione d'aria (calda) nell'abitacolo, in modo da permettere al motore di andare in temperatura.

Nei veicoli in cui il liquido del circuito di raffreddamento del motore viene usato anche per il riscaldamento dell'abitacolo, le relative operazioni di sfiato/spurgo d'aria (tramite la valvola posta alla sommità del radiatore di raffreddamento, e - se presente - anche tramite la valvola relativa allo sfiato posta nel condotto di collegamento al radiatore per il riscaldamento dell'abitacolo), il complementare rabbocco del liquido (tramite il tappo presente sulla vaschetta d'espansione o eventuale diverso punto d'immissione), o lo svuotamento/sostituzione dello stesso (tramite rubinetto di scarico o sgancio manicotto posto più basso), devono essere effettuate sempre con il selettore "aria fredda"-blu/"aria calda"-rosso del cruscotto posizionato completamente su "aria calda"-rosso, pena la formazione e/o la persistenza di pericolose bolle d'aria che potrebbero nuocere gravemente al corretto raffreddamento del motore e/o al corretto riscaldamento dell'abitacolo.

Nei veicoli con motori in cui è presente la valvola termostatica, le operazioni di sfiato/spurgo-rabbocco devono tener conto che a motore spento e freddo (condizione preliminare per procedere) la valvola termostatica è naturalmente chiusa, e che a seguito della sua apertura a motore acceso/caldo - da effettuare a macchina ferma e per pochi minuti, giusto il tempo di far aprire la valvola termostatica - sarà molto probabilmente necessario effettuare nuovamente sfiato/spurgo e/o aggiungere altro liquido (osservare al riguardo il livello nella vaschetta di espansione/rabbocco rispetto agli indicatori di riferimento per il livello ottimale).

La presenza di bolle d'aria nel circuito di raffreddamento è causa comune di molti gravi malfunzionamenti del sistema di raffreddamento a liquido e quindi di logoramento del motore, poiché oltre a diminuire la quantità il liquido che provvede alla dissipazione del calore, eventuali bolle d'aria rischiano d'impedire alla sonda termica/bulbo (o interruttore termostatico) che rileva la temperatura dell'acqua di raffreddamento di entrare a contatto con la stessa, fornendo quindi valori errati che possono mal gestire le azioni consecutive al rilevamento della temperatura (es.: mancata accensione ventola raffreddamento); è per tanto opportuno provvedere ciclicamente a controllare che il circuito sia privo di bolle d'aria tramite spurgo/sfiato. Un indizio utile a sospettare la presenza di bolle d'aria nel circuito di raffreddamento è l'udire gorgoglii provenire dalla vaschetta d'espansione/rabbocco del liquido di raffreddamento (osservando la quale è al contempo visibile la presenza di un'anomala ebollizione - seppur lieve - del liquido stesso) o da altri elementi del circuito di raffreddamento (es.: radiatore del riscaldamento abitacolo).

Attenzione: le operazioni di sfiato/spurgo del circuito di raffreddamento possono provocare ustioni a causa di possibili sbuffi d'aria e zampilli d'acqua anche estremamente calda, evitare imprudenze!

Struttura del cilindro nei motori termici raffreddati ad acqua[modifica | modifica sorgente]

Nei motori a movimento alternativo il raffreddamento a liquido può scorrere su un cilindro disegnato in diversi modi:

  • Open deck[3], dove la camicia del cilindro non è connessa con la parte più esterna del cilindro e quindi c'è la totale interposizione del liquido refrigerante, garantendo il maggiore raffreddamento possibile, ma offre la minor rigidità
  • Semi-closed deck[4][5], a differenza dell'"Open deck" ha dei supporti alle estremità superiori del cilindro, i quali sono presenti ai laterali, anteriormente e posteriormente, in modo da irrigidire il cilindro e migliorarne la resistenza
  • Closed deck[6], questi cilindri hanno un supporto lungo tutta la circonferenza del cilindro tranne per qualche finestra per il passaggio del liquido refrigerante, oppure hanno solo dei canali di passaggio rettilinei per il liquido di raffreddamento e offrono la maggiore rigidità possibile, per alcuni cilindri si può avere un anello cavo che mette in comunicazione ciascun canale alla base del cilindro.
  • Dry deck[7][8], questi cilindri sono caratterizzati dall'assenza di fori sul piano d'appoggio della testata, questo per permettere una maggiore rigidezza e affidabilità scongiurando anche possibili trafilature di liquido refrigerante nel cilindro, questa soluzione viene usata su alcuni motori di Formula 1.[9]

Confronto tra raffreddamento ad aria e ad acqua nei motori termici[modifica | modifica sorgente]

Vantaggi[modifica | modifica sorgente]

Il sistema a liquido è caratterizzato dal:

  • Permettere d'avere un controllo accurato sulla temperatura dell'apparato
  • sistema meno rumoroso per via della presenza dei condotti del liquido che ispessiscono il cilindro e lo isolano acusticamente
  • Maggiore libertà di posizionamento della superficie di scambio del calore

Svantaggi[modifica | modifica sorgente]

Il sistema a liquido è caratterizzato dal:

  • Richiedere una manutenzione per il controllo del livello del liquido ed eventuale rabbocco
  • Sistema più costoso di un apparato raffreddato ad aria
  • Maggiore peso dell'impianto, in quanto sono necessari tubi, pompe e radiatori che non sono presenti nel sistema di raffreddamento ad aria

Accorgimenti[modifica | modifica sorgente]

Tappi pressurizzati dell'impianto di raffreddamento automobilistico. Il tappo di sinistra ha le valvole sigillate da un coperchio, il tappo destro ha le due valvole a vista, di cui la valvola a sinistra serve per evitare che si crei una depressione, la valvola di destra serve a regolare e limitare la sovrappressione

Questi impianti di raffreddamento possono giovarsi delle accortezze di:

  • Pressurizzazione: pressurizzando il circuito e aumentandone la pressione, nel caso dell'acqua e delle sue soluzioni, s'innalza il punto d'ebollizione del liquido di raffreddamento.
  • Antigelo: sostanza che viene immessa nel circuito di raffreddamento assieme all'acqua distillata, per evitare un dannoso congelamento del liquido refrigerante a motore spento - o in parti del circuito messi in bypass da eventuale valvola termostatica - nel caso la temperatura ambientale scenda intorno agli 0 °C o più giù ancora, mantendo il refrigerante allo stato liquido pur con temperature ambientali fino a -20 °C e anche -40 °C; aggiunge l'ulteriore vantaggio di aumentare il punto di ebollizione.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Primi risultati della sperimentazione di un sistema di raffreddamento per M.C.I. con cambiamento di fase
  2. ^ Internal combustion engine cooling
  3. ^ Cilindro open deck
  4. ^ Cilindro semi-closed deck
  5. ^ Confronto cilindro closed deck, semi-closed deck e open deck
  6. ^ Cilindro closed deck
  7. ^ 4,400HP Twin-Turbo Hemi
  8. ^ Clever Induction Systems Build Potency in World’s First Aftermarket Cleveland Crate Engine—The Titus
  9. ^ Massimo Clarke, Dove sono i giapponesi? in Masterbike, vol. 3, 8/9, agosto/settembre 2010, pp. 108-114.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]