سیستم خنک کننده رادیاتور

از آنجایی که بازده حرارتی موتورهای احتراق داخلی با دمای داخلی افزایش می یابد، مایع خنک کننده در فشار بالاتر از اتمسفر نگه داشته می شود تا نقطه جوش آن افزایش یابد. یک شیر فشار کالیبره شده معمولاً در درپوش پرکن رادیاتور تعبیه می شود. این فشار بین مدل‌ها متفاوت است، اما معمولاً از 4 تا 30 psi (30 تا 200 کیلو پاسکال) متغیر است.[4]

همانطور که فشار سیستم خنک کننده با افزایش دما افزایش می یابد، به نقطه ای می رسد که دریچه فشار فشار اجازه خروج فشار اضافی را می دهد. هنگامی که دمای سیستم متوقف شود، متوقف می شود. در مورد رادیاتور (یا مخزن هدر) بیش از حد پر شده، فشار با اجازه دادن به مایع کمی تخلیه می شود. این ممکن است به سادگی روی زمین تخلیه شود یا در یک ظرف تهویه شده که در فشار اتمسفر باقی می ماند جمع شود. هنگامی که موتور خاموش می شود، سیستم خنک کننده خنک می شود و سطح مایع پایین می آید. در برخی موارد که مایع اضافی در یک بطری جمع شده است، ممکن است دوباره به مدار خنک کننده اصلی "مکیده" شود. در موارد دیگر اینطور نیست.

قبل از جنگ جهانی دوم، خنک کننده موتور معمولاً آب معمولی بود. ضد یخ صرفاً برای کنترل یخ زدگی استفاده می شد و این اغلب فقط در هوای سرد انجام می شد. اگر آب معمولی در بلوک موتور یخ بزند، آب می تواند در حین یخ زدن منبسط شود. این اثر می تواند باعث آسیب شدید موتور داخلی به دلیل انبساط یخ شود.

توسعه در موتورهای هواپیما با کارایی بالا مستلزم خنک‌کننده‌های بهبود یافته با نقطه جوش بالاتر است که منجر به استفاده از مخلوط‌های گلیکول یا آب-گلیکول می‌شود. اینها منجر به استفاده از گلیکولها به دلیل خاصیت ضد یخ آنها شد.

از زمان توسعه موتورهای آلومینیومی یا مخلوط فلزی، مهار خوردگی حتی از ضد یخ و در تمام مناطق و فصول سال اهمیت بیشتری پیدا کرده است.

یک مخزن سرریز که خشک می شود ممکن است منجر به تبخیر مایع خنک کننده شود که می تواند باعث گرم شدن موضعی یا عمومی موتور شود. اگر اجازه داده شود وسیله نقلیه بیش از دمای هوا کار کند، ممکن است آسیب شدیدی ایجاد شود. خرابی هایی مانند واشر سر سیلندر منفجر شده و سر سیلندر یا بلوک سیلندر تابیده یا ترک خورده ممکن است نتیجه آن باشد. گاهی اوقات هیچ هشداری وجود نخواهد داشت، زیرا سنسور دمایی که داده‌های دماسنج (مکانیکی یا الکتریکی) را ارائه می‌کند، در معرض بخار آب قرار می‌گیرد، نه مایع خنک‌کننده، و یک قرائت نادرست مضر ارائه می‌دهد.

باز کردن رادیاتور داغ فشار سیستم را کاهش می دهد که ممکن است باعث جوشیدن و خارج شدن مایع داغ و بخار خطرناک شود. بنابراین، درپوش های رادیاتور اغلب دارای مکانیزمی هستند که سعی می کند قبل از باز شدن کامل درب، فشار داخلی را کاهش دهد.

اختراع رادیاتور آب خودرو به کارل بنز نسبت داده می شود. ویلهلم مایباخ اولین رادیاتور لانه زنبوری را برای مرسدس 35 اسب بخار طراحی کرد

گاهی اوقات لازم است یک ماشین به رادیاتور دوم یا کمکی برای افزایش ظرفیت خنک کننده مجهز شود، در حالی که اندازه رادیاتور اصلی قابل افزایش نیست. رادیاتور دوم به صورت سری با رادیاتور اصلی در مدار لوله می شود. این مورد زمانی بود که آئودی 100 برای اولین بار با توربوشارژر تولید 200 شد. اینها را نباید با اینترکولرها اشتباه گرفت.

برخی از موتورها دارای یک خنک کننده روغن، یک رادیاتور کوچک جداگانه برای خنک کردن روغن موتور هستند. خودروهای دارای گیربکس اتوماتیک اغلب دارای اتصالات اضافی به رادیاتور هستند که به مایع انتقال اجازه می دهد تا گرمای خود را به مایع خنک کننده در رادیاتور منتقل کند. اینها ممکن است مانند رادیاتورهای کوچکتر رادیاتور اصلی روغن-هوا باشند. ساده تر آنها ممکن است کولرهای آب-روغن باشند، جایی که یک لوله روغن در داخل رادیاتور آب وارد می شود. اگرچه آب گرمتر از هوای محیط است، رسانایی حرارتی بالاتر آن خنک کننده قابل مقایسه (در محدوده) را از یک خنک کننده روغن کمتر پیچیده و ارزان تر و قابل اعتمادتر ارائه می دهد. به ندرت ممکن است روغن فرمان، روغن ترمز و سایر مایعات هیدرولیک توسط رادیاتور کمکی روی خودرو خنک شوند.

موتورهای توربو شارژ یا سوپرشارژ ممکن است دارای یک اینترکولر باشند که یک رادیاتور هوا به هوا یا هوا به آب است که برای خنک کردن شارژ هوای ورودی استفاده می شود نه برای خنک کردن موتور.

هواپیماهای دارای موتورهای پیستونی مایع خنک شونده (معمولاً موتورهای خطی و نه شعاعی) نیز به رادیاتور نیاز دارند. از آنجایی که سرعت هوا بیشتر از خودروها است، این خودروها در هنگام پرواز به طور موثر خنک می شوند و بنابراین نیازی به مناطق بزرگ یا فن های خنک کننده ندارند. با این حال، بسیاری از هواپیماهای با کارایی بالا هنگام بیکار شدن روی زمین از مشکلات شدید گرمای بیش از حد رنج می برند - تنها هفت دقیقه برای اسپیت فایر.[6] این شبیه به خودروهای فرمول 1 امروزی است، هنگامی که در شبکه با موتورهای روشن متوقف می شوند، برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، به هوای مجرای نیاز دارند که به غلاف رادیاتور آنها وارد شود.

کاهش درگ یک هدف اصلی در طراحی هواپیما از جمله طراحی سیستم های خنک کننده است. یک تکنیک اولیه استفاده از جریان هوای فراوان هواپیما برای جایگزینی هسته لانه زنبوری (بسیاری از سطوح، با نسبت سطح به حجم بالا) با رادیاتور روی سطح بود. این از یک سطح استفاده می کند که در بدنه یا پوست بال ترکیب شده و مایع خنک کننده از طریق لوله های پشت این سطح جریان می یابد. چنین طرح هایی بیشتر در هواپیماهای جنگ جهانی اول دیده می شد.

از آنجایی که رادیاتورهای سطحی به سرعت هوا بسیار وابسته هستند، در هنگام حرکت در زمین بیشتر مستعد گرم شدن بیش از حد هستند. هواپیماهای مسابقه‌ای مانند Supermarine S.6B، یک هواپیمای دریایی مسابقه‌ای با رادیاتورهای تعبیه‌شده در سطوح بالایی شناورهای آن، به‌عنوان محدودیت اصلی در عملکرد آن‌ها به عنوان «پرواز بر روی دماسنج» توصیف شده‌اند.[7]

رادیاتورهای سطحی نیز توسط چند خودروی مسابقه ای پرسرعت مانند پرنده آبی مالکوم کمبل در سال 1928 استفاده شده است.

به طور کلی محدودیت اکثر سیستم های خنک کننده این است که سیال خنک کننده اجازه نمی دهد تا بجوشد، زیرا نیاز به کنترل گاز در جریان طراحی را بسیار پیچیده می کند. برای یک سیستم خنک کننده با آب، این بدان معنی است که حداکثر مقدار انتقال حرارت توسط ظرفیت گرمایی ویژه آب و اختلاف دمای بین محیط و 100 درجه سانتیگراد محدود می شود. این خنک کننده موثرتر در زمستان یا در ارتفاعات بالاتر که دما پایین است فراهم می کند.

اثر دیگری که در خنک سازی هواپیما اهمیت ویژه ای دارد این است که ظرفیت گرمایی ویژه با فشار تغییر می کند و نقطه جوش کاهش می یابد و این فشار با ارتفاع سریعتر از کاهش دما تغییر می کند. بنابراین، به طور کلی، سیستم های خنک کننده مایع با بالا رفتن هواپیما ظرفیت خود را از دست می دهند. این یک محدودیت عمده در عملکرد در طول دهه 1930 بود، زمانی که معرفی توربو سوپرشارژرها برای اولین بار امکان سفر راحت در ارتفاعات بالای 15000 فوت را فراهم کرد و طراحی خنک کننده به یک حوزه اصلی تحقیقات تبدیل شد.

واضح ترین و رایج ترین راه حل برای این مشکل، اجرای کل سیستم خنک کننده تحت فشار بود. این امر ظرفیت گرمایی ویژه را در یک مقدار ثابت نگه می دارد، در حالی که دمای هوای بیرون همچنان کاهش می یابد. بنابراین چنین سیستم هایی با بالا رفتن قابلیت خنک کنندگی را بهبود بخشیدند. برای اکثر کاربردها، این مشکل خنک کردن موتورهای پیستونی با کارایی بالا را حل کرد و تقریباً تمام موتورهای هواپیماهای خنک کننده مایع در دوره جنگ جهانی دوم از این راه حل استفاده کردند.

با این حال، سیستم‌های تحت فشار نیز پیچیده‌تر بودند و به مراتب بیشتر مستعد آسیب بودند - از آنجایی که سیال خنک‌کننده تحت فشار بود، حتی آسیب جزئی در سیستم خنک‌کننده مانند سوراخ گلوله منفرد با کالیبر تفنگ، باعث می‌شد که مایع به سرعت به بیرون پاشیده شود. سوراخ خرابی سیستم های خنک کننده، تا حد زیادی، علت اصلی خرابی موتور بود.

اگرچه ساختن رادیاتور هواپیما که قادر به تحمل بخار باشد دشوارتر است، اما به هیچ وجه غیرممکن نیست. لازمه کلیدی این است که سیستمی ارائه شود که بخار را قبل از انتقال مجدد به پمپ ها و تکمیل حلقه خنک کننده به مایع تبدیل کند. چنین سیستمی می تواند از گرمای ویژه تبخیر استفاده کند که در مورد آب پنج برابر ظرفیت گرمایی ویژه در حالت مایع است. ممکن است با اجازه دادن به بخار فوق گرم شود، مزایای بیشتری حاصل شود. چنین سیستم هایی که به عنوان خنک کننده های تبخیری شناخته می شوند، موضوع تحقیقات قابل توجهی در دهه 1930 بودند.

دو سیستم خنک کننده را در نظر بگیرید که مشابه یکدیگر هستند و در دمای هوای محیط 20 درجه سانتیگراد کار می کنند. یک طراحی تمام مایع ممکن است بین 30 درجه سانتیگراد تا 90 درجه سانتیگراد کار کند و 60 درجه سانتیگراد اختلاف دما را برای انتقال گرما ارائه دهد. یک سیستم خنک کننده تبخیری ممکن است بین 80 تا 110 درجه سانتیگراد کار کند. در نگاه اول به نظر می رسد که این تفاوت دما بسیار کمتر است، اما این تجزیه و تحلیل مقدار عظیم انرژی گرمایی جذب شده در طول تولید بخار، معادل 500 درجه سانتیگراد را نادیده می گیرد. در واقع، نسخه تبخیری بین 80 درجه سانتیگراد تا 560 درجه سانتیگراد کار می کند، یعنی 480 درجه سانتیگراد تفاوت دمای موثر. چنین سیستمی حتی با مقادیر بسیار کمتر آب نیز می تواند موثر باشد.

نقطه ضعف سیستم خنک کننده تبخیری، ناحیه کندانسورهای مورد نیاز برای خنک کردن بخار در زیر نقطه جوش است. از آنجایی که بخار چگالی بسیار کمتری نسبت به آب دارد، به یک سطح بزرگتر نیاز است تا جریان هوای کافی برای خنک کردن بخار فراهم شود. در طراحی رولزرویس گوشاوک در سال 1933 از کندانسورهای رادیاتور مانند معمولی استفاده شد و این طراحی یک مشکل جدی برای درگ بود. در آلمان، برادران گونتر طراحی جایگزینی را ایجاد کردند که ترکیبی از خنک کننده تبخیری و رادیاتورهای سطحی است که در سراسر بال، بدنه و حتی سکان هواپیما پخش شده است. چندین هواپیما با استفاده از طراحی خود ساخته شدند و رکوردهای عملکردی متعددی را به ثبت رساندند، به ویژه Heinkel He 119 و Heinkel He 100. با این حال، این سیستم ها به پمپ های متعددی نیاز داشتند تا مایع را از رادیاتورهای پخش شده برگردانند و ثابت کردند که کارکرد صحیح آنها بسیار دشوار است. ، و بسیار بیشتر مستعد آسیب جنگ بودند. تلاش‌ها برای توسعه این سیستم عموماً تا سال 1940 کنار گذاشته شد. نیاز به خنک‌سازی تبخیری به زودی با در دسترس بودن گسترده خنک‌کننده‌های مبتنی بر اتیلن گلیکول، که گرمای ویژه کمتری داشتند، اما نقطه جوش بسیار بالاتری نسبت به آب داشتند، نفی شد.

یک رادیاتور هواپیما که در یک کانال قرار دارد، هوای عبوری را گرم می کند و باعث انبساط و افزایش سرعت هوا می شود. این اثر مردیت نامیده می شود و هواپیماهای پیستونی با کارایی بالا با رادیاتورهای کم کشش خوب طراحی شده (به ویژه موستانگ P-51) نیروی رانش را از آن می گیرند. نیروی رانش به اندازه کافی قابل توجه بود که کشش مجرای رادیاتور را که رادیاتور در آن محصور شده بود را جبران کرد و به هواپیما اجازه داد به پسای خنک کننده صفر برسد. حتی در یک مقطع، برنامه‌هایی برای تجهیز سوپرمارین اسپیت‌فایر به پس‌سوز، با تزریق سوخت به مجرای اگزوز پس از رادیاتور و احتراق آن وجود داشت[نیازمند منبع]. پس سوز با تزریق سوخت اضافی به موتور در پایین دست چرخه احتراق اصلی حاصل می شود.