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Il raffreddamento a liquido (radiatore se si indica il dispositivo che provvede) si basa sul mantenimento di una temperatura in un intervallo quanto più costante possibile di un motore termico, di un termostato, di armi da fuoco e di altri apparati tecnologici come il microprocessore usati in elettronica, in modo da garantirne il corretto e regolare funzionamento prevenendo la rottura o la fusione per le alte temperature raggiunte.
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.
I sistemi di raffreddamento a liquido possono essere:
Per i primi sistemi, il fluido refrigerante, che in tempi passati era costituito da acqua distillata, o altri composti chimici, oggi è una miscela, dove, per il motore termico, 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, clorofluorocarburi), 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. Come esempio, il raffreddamento tramite sodio, piombo, o leghe metalliche, dei noccioli di reattore nucleare a fissione di alcune tipologie di Centrale elettronucleare, con temperature di esercizio dei fluidi refrigeranti anche prossimi al migliaio di gradi celsius.
Noto alla maggior parte dell'utenza per l'uso del waterblock e 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 GPU, 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, come il trasformatore, 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 alla Corrente parassita indotte.
I primi liquidi utilizzati in elettrotecnica, e tuttora in uso, furono oli minerali, normalmente un alogeno. 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.
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].
Circuiti in cui il liquido viene mantenuto chiuso/stagno in un circuito e si usa una ben determinata quantità di liquido.
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.
In molti veicoli il fluido refrigerante del motore viene usato anche per eventuali necessità di riscaldamento dell'abitacolo della vettura (o, come nel caso dei mezzi pubblici, l'intero mezzo, tramite l'aiuto di una serie di masse radianti o un ventilconvettore, nella quale l'acqua proveniente dal motore è messa in circolo con l'aiuto di una pompa elettrica di ricircolo); tramite una valvola, o, alternativamente, a seconda del veicolo, una paratia, azionabile dai comandi presenti nel cruscotto (mediante un selettore - spesso una leva o una manopola- che varia tra "aria fredda"-blu e "aria calda"-rosso), si può infatti rispettivamente 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, grazie all'immissione di un flusso d'aria calda di portata più o meno grande (generato dal naturale fluire dell'aria nel radiatore abitacolo dalle bocche di aerazione del veicolo e quindi in proporzione alla velocità con cui si muove, o generato da una ventola la cui accensione e velocità è gestita da ulteriori comandi sul cruscotto - prendendo l'aria esterna o eventualmente riciclando quella interna), oppure consentire l'afflusso e quindi il riscaldamento dell'aria fredda dell'abitacolo o di provenienza esterna ad esso attraverso il radiatore in questione.
Il medesimo circuito può 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 su citato (in modo che in breve il liquido presente nel circuito si raffredda e cessa di scaldare l'aria) o, in alternativa, la paratia di miscelazione dell'aria fredda con quella calda, 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 o l'apertura della paratia di miscelazione. È inoltre possibile l'azionamento congiunto del riscaldamento e del compressore del climatizzatore, il cui evaporatore è solitamente posizionato in prossimità del radiatore di riscaldamento, in modo da poter regolare a piacimento la temperatura dell'aria in uscita dalle bocchette e in particolare ottenere aria ancora più secca di quella ottenibile mediante il solo riscaldamento. I climatizzatori automatici regolano automaticamente, in base alla temperatura esterna, alla temperatura interna all'abitacolo e alla temperatura richiesta dall'utente, i parametri operativi di tali sistemi di controllo mediante attuatori elettromeccanici.
A motore freddo (temperatura sotto il regime), è pertanto opportuno evitare di attivare la ventola per l'immissione d'aria (calda) nell'abitacolo, ed è anche bene chiudere il flusso d'aria che viene indirizzato al radiatore del riscaldamento abitacolo dal moto del veicolo, in modo da permettere al motore di andare in temperatura senza dissipare anzitempo calore per la climatizzazione; con tali accorgimenti si può così mantenere il circuito di riscaldamento abitacolo in comunicazione con il circuito raffreddamento motore (leva/selettore aria fredda/calda posizionato su caldo-rosso) anche a motore freddo, favorendo l'equilibrio dei livelli di pressione e temperatura del liquido di raffreddamento nelle varie parti del circuito complessivo. Al contrario, in caso di surriscaldamento del motore, è possibile aprire i finestrini, impostare il massimo riscaldamento dell'aria e il massimo regime di ventilazione per facilitare il raffreddamento del liquido presente nel circuito cedendo parte del calore del liquido al flusso d'aria dell'abitacolo.
Per facilitare la messa in moto del motore e il funzionamento del radiatore di riscaldamento in climi particolarmente rigidi mediante un veloce raggiungimento della temperatura operativa del liquido di raffreddamento, i veicoli a motore possono essere equipaggiati di un dispositivo denominato riscaldatore per blocco motore, consistente frequentemente, soprattutto nei mezzi pesanti, in una piccola caldaia alimentata dallo stesso carburante che alimenta il motore termico, insieme a una pompa elettrica di ricircolo del refrigerante (che consente il circolo del refrigerante nell'impianto e quindi il preriscaldamento del blocco e il riscaldamento dell'abitacolo anche col motore spento e quindi in assenza della rotazione della pompa d'acqua principale).
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, per evitare il rischio di danni, essere effettuate sempre con il selettore "aria fredda"-blu/"aria calda"-rosso del cruscotto posizionato completamente su "aria calda"-rosso, pena, nel caso in cui il sistema di riscaldamento dell'abitacolo preveda un rubinetto o un'elettrovalvola che controlla l'afflusso del liquido al relativo radiatore di riscaldamento, la formazione e/o la persistenza nel circuito di raffreddamento di pericolose bolle d'aria che potrebbero nuocere gravemente al corretto raffreddamento del motore (con possibili danni alla guarnizione della testata) 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, mancata o scorretta regolazione del titolo della miscela aria/carburante a motore caldo); 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; in particolare un mancato funzionamento dello stesso può essere sintomo di presenza di bolle d'aria nel circuito).
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!
Nel motore a movimento alternativo il raffreddamento a liquido può scorrere su un cilindro disegnato in diversi modi:
Il sistema a liquido è caratterizzato dal:
Il sistema a liquido è caratterizzato dal:
Questi impianti di raffreddamento possono giovarsi delle accortezze di:
Il circuito di raffreddamento può andare incontro ad inconvenienti che possono essere risolti o tamponati con determinati trattamenti:
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