SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Introducción

El buen funcionamiento de un motor depende en gran parte de su sistema de refrigeración. Este sistema retira el calor en exceso que se produce debido al funcionamiento y a la combustión dentro del motor.

La temperatura máxima de funcionamiento de un motor se encuentra limitada por la resistencia mecánica y por las variaciones en la dimensión de cada pieza sin que esto comprometa el funcionamiento.

Un motor en funcionamiento y sin un sistema de enfriamiento eficaz puede hacer que sus componentes internos se dilaten y pierdan sus propiedades de diseño.

En este módulo se enuncian las partes mas críticas para la refrigeración del motor, se describen ampliamente los métodos de refrigeración en la culata: enfriamiento mediante aire y enfriamiento por agua.

En el enfriamiento mediante aire las aletas que rodean los cilindros y otras piezas son el eje central o elemento de mayor relevancia, acompañado o no de un ventilador.

En el enfriamiento por agua se estudian los procesos de circulación de refrigerante los cuales son termosifón, con bomba y mixto. Se describen cada una de las partes del sistema de enfriamiento como su función; por ultimo el funcionamiento general del sistema.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

El buen funcionamiento de un motor depende en gran parte de su sistema de refrigeración. Este sistema retira el calor en exceso que se produce debido al funcionamiento y a la combustión dentro del motor.

La temperatura máxima de funcionamiento de un motor se encuentra limitada por la resistencia mecánica y por las variaciones en la dimensión de cada pieza sin que esto comprometa el funcionamiento.

Un motor en funcionamiento y sin un sistema de enfriamiento eficaz puede hacer que sus componentes internos se dilaten y pierdan sus propiedades de diseño.

Partes críticas de dilatación por exceso de calor:

- Paredes Interiores de los cilindros.
- Cámara de combustión no lubricada.
- Pistón.
- Válvulas de escape.

Problemas que se presentan sin una buena refrigeración en las partes criticas del motor anteriormente             mencionadas:

Las paredes Interiores de los cilindros:

Cambios fisicoquímicos en el lubricante.
Producción de depósitos de carbón.
Desgaste excesivo de las paredes.

Cámara de combustión no lubricada:

Disminuye la duración de las válvulas, bujías y culata en los puntos de menor grosor entre los agujeros de las bujías y los asientos de las válvulas.
La refrigeración no uniforme de la culata produce encendido anormal (detonaciones o encendidos antes de tiempo.

Pistón:

Disminuye su resistencia mecánica especialmente en los casos de aleaciones ligeras.

Válvulas de escape:

Corrosión rápida sobre la superficie de contacto.
Reducción de la resistencia mecánica si falta el intercambio de calor a través de sus asientos en el breve periodo de cierre.

Refrigeración de la culata

La culata contiene la cámara de combustión o hace parte de ella, alcanza temperaturas muy altas y necesita refrigeración como también la necesita el bloque del motor.

Existen dos fluidos universales para el enfriamiento los cuales son el agua y el aire; asimismo para los motores de combustión interna se han diseñado dos sistemas de refrigeración, cada uno de estos utiliza uno de los fluidos.

1.- Sistema de enfriamiento por aire.
2.- Sistema de enfriamiento por agua.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AGUA

Los motor refrigerados por liquido (generalmente agua) poseen conductos y otros elementos que convierten este en un sistema de mayor complejidad que el de un motor enfriado por aire. El calor generado en la culata del cilindro es absorbido por el agua que circula por los conductos y sale a la atmósfera cuando pasa por el radiador.

Para llevar a cabo el proceso de refrigeración el liquido refrigerante debe circular por el sistema, para ello existen tres métodos de circulación los cuales son:
Circulación por termosifón

Este método no utiliza medios mecánicos de circulación sino que se apoya en las propiedades del líquido como lo es la densidad es decir que cuando el líquido está más caliente posee una densidad mas baja con la capacidad de subir, mientras que cuando está frío su densidad es mayor desplazándose a las zonas inferiores.
El líquido no comienza a circular luego de que se llena el tanque, tampoco cuando se pone en funcionamiento el motor. A medida que aumenta la temperatura en el cilindro del motor se inicia la circulación del líquido. En este sistema la velocidad de evacuación del líquido es muy débil.
Circulación por bomba

La bomba se coloca entre el radiador y el motor en un punto bajo del circuito. La velocidad de evacuación se limita según la capacidad de la bomba y la refrigeración también depende de esta.
Circulación por termosifón y bomba

Este sistema combina los anteriores, funciona por termosifón pero con ayuda de la bomba mejora la circulación del líquido refrigerante.

La bomba puede estar fija sobre la culata o sobre el cárter de cilindros, está generalmente situada a la salida del líquido frío y dirigido hacia el cárter de cilindros. El líquido sube a continuación hacia la culata y retorna al radiador. En el caso de fallo en la bomba la circulación del líquido se convierte en 100% de termosifón.
FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

El refrigerante se toma del fondo del radiador mediante la bomba de agua y se impulsa a través de todas las partes del motor que necesitan refrigerante, en el caso de los cilindros con camisas húmedas enfrían las partes más calientes de estos y la cámara de combustión. Luego el refrigerante circula de regreso a la parte superior del radiador (teniendo un radiador de flujo vertical) donde se filtra por los tubos de este y mediante las aletas y el flujo de aire se extrae el calor y se envía a la atmósfera.
En un motor no estacionario (motor de un automóvil por ejemplo) el flujo de aire que entra a través de las rejillas del motor (en caso de que posea rejillas) ayuda al enfriamiento. Pero si este motor funciona en vacío o a velocidad muy baja, el ventilador debe succionar el aire y pasarlo por el radiador, para evitar recalentamiento en el motor.
Algunos ventiladores tienen un embrague que los desconecta de la operación una vez que el motor alcanza cierta velocidad hacia adelante.
PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AGUA

El sistema de enfriamiento por medio del agua se compone de las siguientes partes:

Camisas de cilindros.
Radiador.
Mangueras de conexión.
Ventilador.
Bomba de agua.
Tapón.
Termostato.
Líquido refrigerante.

1. Camisa de los cilindros

Las camisas de los cilindros transfieren el calor desde el interior de los cilindros hasta el exterior. Estas camisas pueden ser húmedas es decir que permiten que el liquido refrigerante circule alrededor de los cilindros para lograr un mejor enfriamiento.

En las gráficas de la derecha se puede apreciar la camisa de agua el pistón, el cilindro y como el agua circula dentro de estos conductos para llevar a cabo la refrigeración.
Las camisas de agua o llamadas también húmedas no solo rodean el cilindro sino también la cámara de combustión, los asientos de las bujías, los asientos y guías de las válvulas y las partes en contacto con los gases producto de la combustión.
2. El radiador

Los radiadores disipan el calor mediante el flujo de aire; el líquido recuperado se enfría para circularlo de nuevo.

Un radiador consiste en dos tanques metálicos o de plástico según el caso que están conectados uno contra otro por medio de un núcleo (malla de tubos delgados y aletas). Las mangueras se utilizan para unir el radiador al motor dando elasticidad al conjunto, estas se sujetan con abrazaderas metálicas a los tubos que salen de ambos elementos. El refrigerante fluye desde el tanque de entrada a través de los tubos al tanque de salida siempre que esté abierto el termostato en el motor. Mediante las aletas se disipa el calor hacia la atmósfera enfriando el líquido.
      
Los radiadores que tienen el tanque de entrada en la parte superior y el tanque de salida en la parte interior se llaman radiadores de flujo vertical.
Los radiadores que poseen un tanque a cada lado se llaman radiador de flujo horizontal.
En este tipo de radiadores el tanque de entrada está conectado con el termostato, mientras que el tanque de salida está conectado a la entrada de la bomba de agua.
Núcleo del radiador

El núcleo del radiador pueden construirse de tres tipos: tubular, de panal y láminas de agua.

    
Radiador con núcleo tipo tubular

Tiene unos tubos por los que el líquido refrigerante pasa, este liquido viene de las camisas de los cilindros y de la culata.

El aire circula alrededor de los tubos y las aletas. Las aletas pueden ser perpendiculares a los tubos, o intercalas en acordeón entre tos tubos.
Radiador con núcleo tipo panal

Usados antes en motores grandes y potentes, ahora poco usados debido a su elevado precio y complejidad de su construcción (gran parte soldada).

Son construidos por grupos de pequeños tubos horizontales que logran hacer una gran superficie de refrigeración.
Radiador con núcleo tipo láminas de agua

Hechos por unos tubos anchos y muy chatos montados haciendo unas ondulaciones soldadas entre sí o bien se separan y sostienen con unas finas chapas de latón, las cuales dan rigidez a los pasos hexagonales del aire formando un falso panal. En los dos casos el aire que pasa por entre los tubos chatos, enfría las láminas de agua que circula en el interior de ellos.
3. Tapón o tapa del radiador

El tapón del circuito mantiene una presión en el radiador con el fin de que la temperatura de ebullición sea mayor. La entrada de aire o líquido al radiador con el motor frío se produce automáticamente. 

La tapa del radiador o la tapa del vaso de expansión en algunas ocasiones traen dos válvulas, la primera es una válvula de alivio que limita la presión en el sistema de enfriamiento a un nivel predeterminado. La segunda es una válvula de ventilación de vacío (presión).
Si el líquido refrigerante se calienta y expande lo suficiente como para causar que la presión del sistema se eleve por encima de la presión de diseño de la tapa, la válvula de presión se abre y permite que el líquido refrigerante se escape por un tubo de sobreflujo hacia el depósito hasta que la presión se estabilice en el sistema.
Cuando el líquido refrigerante se enfría, se contrae creando así un vacío resultante en el sistema de enfriamiento; este vacío hace que el líquido se retire del depósito y entre al sistema de enfriamiento a través de la válvula de vacío ubicada en la tapa del radiador o del vaso de expansión evitando la entrada de aire al sistema lo que puede producir oxidación de las partes.
4. Mangueras de conexión

Las mangueras de conexión son todo el conjunto de tuberías de caucho que unen los diferentes componentes de un circuito de refrigeración con agua entre sí por ejemplo: radiador - culata o bomba de agua - radiador.

Las mangueras del radiador pueden ser rectas, moldeadas y flexibles y se pueden acomodar según las necesidades. El constante uso de las mangueras generan su deterioro; una manguera deteriorada afecta el buen funcionamiento del sistema, se hace necesario su reemplazo según el estado de estas.

Algunos de estos tipos de mangueras son :
Abrazadera (Clamp)

Para asegurar las mangueras se utilizan diversos tipos de abrazaderas, la abrazadera tipo tornillo proporciona una sujeción más efectiva y se puede retirar y utilizar varias veces.
5. Bomba del agua

La bomba de agua es una bomba centrífuga accionada por el motor mediante una correa. La capacidad de la bomba de agua debe ser suficiente para proporcionar la circulación del refrigerante.

    Esta bomba se utiliza para hacer circular el líquido refrigerante por todas las partes del circuito de refrigeración del motor; el flujo del líquido refrigerante regresa a la bomba de agua a través del desviador cuando está cerrado el termostato y por el radiador cuando el termostato está abierto.
6. El Ventilador

El ventilador no solo envía una corriente de aire alrededor del motor, sino además absorbe el aire de la atmósfera (fresco) y lo hace pasar a través del núcleo del radiador a mayor velocidad proporcionando un adecuado enfriamiento.

El ventilador es accionado por el motor mediante un acople en el eje de la bomba de agua y se impulsa con una correa (banda) desde la polea del cigüeñal. Algunos ventiladores incorporan un embrague con fluido de impulsión para controlar las velocidades respecto con las demandas de enfriamiento.
La capacidad del ventilador depende del número de aspas, el diámetro total y velocidad. El paso o ángulo de las aspas del ventilador también afecta su capacidad. Las aspas mas planas mueven menos aire que las aspas con mayor ángulo. Los ventiladores con ángulo variable tienen aspas flexibles que tienden a ser menos planas a medida que se incrementa la velocidad del motor.
Con el aumento de velocidad se crea un flujo de aire suficiente. Las aspas son curvas en las puntas y con frecuencia se encuentran espaciadas de manera no uniforme para reducir el nivel de ruido.
La cubierta del ventilador evita una recirculación de aire alrededor de las puntas de las aspas


   
7. Líquido refrigerante

El líquido refrigerante es el medio que se utiliza para absorber calor desde el motor hacia la atmósfera utilizando el sistema de refrigeración.

El agua es el líquido más utilizado pero debido a algunas de sus propiedades (bajo punto de ebullición y congelación) requiere de algunos aditivos que mejoran sus características.

Estos aditivos pueden subir el punto de ebullición o de congelación, evitar la corrosión, lubricar partes del sistema (sellos de la bomba), retardar la formación de sedimentos o mejorar otras propiedades.

Existen varios tipos de aditivos e inhibidores especiales a base de silicatos los cuales se agregan para prevenir la corrosión de partes de aluminio, como las cabezas de cilindros, termostato o radiador.

El más común (agua - etileno glicol) utilizando una mezcla de 50:50, esto quiere decir 50% de agua y 50% de etileno glicol como (anticongelante). Esta relación de agua a etileno glicol proporciona protección para el sistema en rangos que van hasta -37 ºC (estaciones) o en clima cálido elevando el punto de ebullición para el refrigerante hasta 130ºC.


8. El termostato

El termostato es una válvula sensible al calor ubicada en la parte superior delantera del motor. El termostato controla la circulación del refrigerante según los rangos mínimos y máximos de operación del motor. Cuando se arranca un motor frío, el termostato cierra el flujo del refrigerante, una vez que la máquina está caliente, se abre el termostato y permite que el refrigerante atrapado fluya de regreso al radiador.
Algunos termostatos funcionan bajo el principio de dilatación de una espiral metálica la cual abre o cierra una válvula en función de la temperatura necesaria para esa dilatación.
Existen otros termostatos, los de válvula de mariposa y de válvula de cabezal los cuales tienen un elemento de cera el cual está expuesto al líquido refrigerante del motor. Cuando la cera se calienta se expanden forzando una varilla que sale. 
    
Cuando la cera se enfría se contrae cerrando la válvula por medio de un muelle y la varilla regresa a la posición inicial de esta manera deja o no pasar el líquido refrigerante.
En la gráfica se puede apreciar el termostato cuando el motor está frío, la cera se contrae, la válvula superior está cerrada impidiendo el paso de agua hacia el radiador. La válvula inferior está abierta y el agua procedente de la culata puede ir hacia la bomba y repartirla hacia el motor.
En la figura se puede ver que cuando el motor está caliente la cera se dilata y la válvula superior se abre, el agua que viene de la culata pasa por el radiador, mientras que la válvula inferior cierra la circulación.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR AIRE

Los sistemas de refrigeración por aire son más sencillos y económicos que los sistemas de refrigeración utilizando el agua como refrigerante, pues estos últimos requieren radiador y todo un conjunto de conductos, mecanismos de impulsión y recipientes para contener el agua, los cuales ocupan un espacio y tienen un costo adicional.
La sencillez del sistema permite que sea utilizado en motores de baja capacidad o donde los sistemas de refrigeración por agua son más difíciles de mantener. Son utilizados usualmente en maquinaria para construcción de carreteras, bombas estacionarias, motocicletas y en algunos autos.

Los motores que utilizan este sistema son muy ligeros pues utilizan aleaciones menos pesadas pero con propiedades de alta transferencia de calor.
Por lo general este tipo de motores son mas ruidosos pues las ondas sonoras provocadas por la combustión salen rápidamente sin ser amortiguadas por otros componentes debido a la sencillez de los motores.

El principio de funcionamiento de este sistema es transportar el calor por el principio de conducción mediante la carcaza, para ello se utilizan las aletas las cuales son prolongaciones del metal de aleación que cubren la culata.

Estas aletas aumentan el área de la culata proporcionando mayor superficie que queda en contacto con el aire y enfriando el interior.
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