Поскольку тепловой КПД двигателей внутреннего сгорания увеличивается с увеличением внутренней температуры, давление охлаждающей жидкости поддерживается выше атмосферного, чтобы повысить ее температуру кипения. Калиброванный предохранительный клапан обычно встроен в заливную крышку радиатора. Это давление варьируется в зависимости от модели, но обычно находится в диапазоне от 4 до 30 фунтов на квадратный дюйм (от 30 до 200 кПа).[4]
Поскольку давление в системе охлаждающей жидкости увеличивается с повышением температуры, оно достигнет точки, в которой предохранительный клапан позволит сбросить избыточное давление. Это прекратится, когда температура системы перестанет расти. В случае переполнения радиатора (или напорного бачка) давление стравливается путем выхода небольшого количества жидкости. Его можно просто слить на землю или собрать в вентилируемом контейнере, в котором сохраняется атмосферное давление. При выключении двигателя система охлаждения охлаждается и уровень жидкости падает. В некоторых случаях, когда излишки жидкости собираются в бутылке, они могут быть «всосаны» обратно в основной контур охлаждающей жидкости. В других случаях это не так.
До Второй мировой войны охлаждающей жидкостью двигателя обычно была простая вода. Антифриз использовался исключительно для предотвращения замерзания, и часто это делалось только в холодную погоду. Если обычную воду оставить замерзать в блоке двигателя, она может расшириться при замерзании. Этот эффект может привести к серьезным внутренним повреждениям двигателя из-за расширения льда.
Разработка высокопроизводительных авиационных двигателей потребовала улучшенных охлаждающих жидкостей с более высокими температурами кипения, что привело к использованию гликоля или водно-гликолевых смесей. Это привело к использованию гликолей из-за их антифризных свойств.
С момента разработки двигателей из алюминия или смешанных металлов ингибирование коррозии стало даже более важным, чем антифриз, и во всех регионах и сезонах.
Сухой переливной бачок может привести к испарению охлаждающей жидкости, что может вызвать локальный или общий перегрев двигателя. Если автомобиль перегреется, это может привести к серьезному повреждению. Результатом могут быть такие неисправности, как перегорание прокладок головки блока цилиндров, а также деформированные или треснувшие головки цилиндров или блоки цилиндров. Иногда предупреждение не появляется, поскольку датчик температуры, который передает данные для датчика температуры (механического или электрического), подвергается воздействию водяного пара, а не жидкой охлаждающей жидкости, что приводит к опасным ложным показаниям.
Открытие горячего радиатора снижает давление в системе, что может привести к ее закипанию и выбросу опасно горячей жидкости и пара. Поэтому крышки радиаторов часто содержат механизм, который пытается сбросить внутреннее давление до того, как крышку можно будет полностью открыть.
Изобретение автомобильного водяного радиатора приписывают Карлу Бенцу. Вильгельм Майбах разработал первый сотовый радиатор для Mercedes мощностью 35 л.с.
Иногда необходимо оборудовать автомобиль вторым, или вспомогательным, радиатором для увеличения охлаждающей способности, когда размер исходного радиатора невозможно увеличить. Второй радиатор подключается последовательно с основным радиатором в контуре. Так было, когда Audi 100 впервые была оснащена турбонаддувом, создав модель 200. Их не следует путать с интеркулерами.
Некоторые двигатели имеют масляный радиатор — отдельный небольшой радиатор для охлаждения моторного масла. Автомобили с автоматической коробкой передач часто имеют дополнительные соединения с радиатором, позволяющие трансмиссионной жидкости передавать свое тепло охлаждающей жидкости в радиаторе. Это могут быть как масляно-воздушные радиаторы, так и уменьшенный вариант основного радиатора. Проще говоря, это могут быть масловодяные охладители, в которых маслопровод вставлен внутрь водяного радиатора. Хотя вода горячее окружающего воздуха, ее более высокая теплопроводность обеспечивает сопоставимое охлаждение (в определенных пределах) от менее сложного и, следовательно, более дешевого и надежного масляного радиатора. Реже жидкость гидроусилителя рулевого управления, тормозная жидкость и другие гидравлические жидкости могут охлаждаться с помощью вспомогательного радиатора автомобиля.
Двигатели с турбонаддувом или наддувом могут иметь промежуточный охладитель, который представляет собой радиатор воздух-воздух или воздух-вода, используемый для охлаждения поступающего воздушного заряда, а не для охлаждения двигателя.
Для самолетов с поршневыми двигателями жидкостного охлаждения (обычно рядными, а не радиальными) также требуются радиаторы. Поскольку скорость полета выше, чем у автомобилей, они эффективно охлаждаются в полете и поэтому не требуют больших площадей или охлаждающих вентиляторов. Однако многие высокопроизводительные самолеты страдают от серьезных проблем с перегревом во время простоя на земле - всего семь минут для Spitfire. Это похоже на современные автомобили Формулы-1: когда они останавливаются на стартовой решетке с работающими двигателями, им требуется подача воздуха в отсеки радиаторов, чтобы предотвратить перегрев.
Снижение лобового сопротивления является основной целью проектирования самолетов, включая разработку систем охлаждения. Ранний метод заключался в использовании обильного воздушного потока самолета для замены сотового заполнителя (много поверхностей с высоким соотношением поверхности к объему) радиатором, монтируемым на поверхности. При этом используется единая поверхность, совмещенная с фюзеляжем или обшивкой крыла, при этом охлаждающая жидкость течет по трубам в задней части этой поверхности. Такие конструкции в основном встречались на самолетах времен Первой мировой войны.
Поскольку наземные радиаторы настолько зависят от скорости полета, они еще более склонны к перегреву при движении по земле. Гоночные самолеты, такие как Supermarine S.6B, гоночный гидросамолет с радиаторами, встроенными в верхние поверхности поплавков, были описаны как «летающие по датчику температуры», что является основным ограничением их характеристик.
Поверхностные радиаторы также использовались в нескольких высокоскоростных гоночных автомобилях, таких как Blue Bird Малкольма Кэмпбелла 1928 года.
Как правило, ограничением большинства систем охлаждения является невозможность кипения охлаждающей жидкости, поскольку необходимость обращения с газом в потоке значительно усложняет конструкцию. Для системы с водяным охлаждением это означает, что максимальный объем теплопередачи ограничен удельной теплоемкостью воды и разницей температур между окружающей средой и 100 °C. Это обеспечивает более эффективное охлаждение зимой или на больших высотах, где температура низкая.
Другой эффект, который особенно важен при охлаждении самолетов, заключается в том, что удельная теплоемкость меняется и температура кипения снижается с увеличением давления, причем это давление меняется с высотой быстрее, чем падение температуры. Таким образом, как правило, системы жидкостного охлаждения теряют мощность по мере набора высоты самолета. Это было основным ограничением производительности в 1930-х годах, когда внедрение турбонагнетателей впервые позволило удобно путешествовать на высоте более 15 000 футов, а конструкция охлаждения стала основной областью исследований.
Самым очевидным и распространенным решением этой проблемы было использование всей системы охлаждения под давлением. Это поддерживало удельную теплоемкость на постоянном уровне, в то время как температура наружного воздуха продолжала падать. Таким образом, такие системы улучшали эффективность охлаждения при наборе высоты. В большинстве случаев это решало проблему охлаждения высокопроизводительных поршневых двигателей, и почти все авиационные двигатели с жидкостным охлаждением периода Второй мировой войны использовали это решение.
Однако системы под давлением также были более сложными и гораздо более восприимчивыми к повреждениям - поскольку охлаждающая жидкость находилась под давлением, даже незначительное повреждение в системе охлаждения, такое как единственное отверстие от пули винтовочного калибра, могло привести к быстрому выплескиванию жидкости из системы охлаждения. дыра. Отказы систем охлаждения были, безусловно, основной причиной отказов двигателей.
Хотя построить авиационный радиатор, способный обрабатывать пар, сложнее, это ни в коем случае не невозможно. Ключевым требованием является создание системы, которая конденсирует пар обратно в жидкость перед его подачей обратно в насосы и завершением контура охлаждения. Такая система может использовать удельную теплоту испарения, которая в случае воды в пять раз превышает удельную теплоемкость в жидкой форме. Дополнительную выгоду можно получить, позволив пару перегреться. Такие системы, известные как испарительные охладители, были предметом серьезных исследований в 1930-х годах.
Рассмотрим две системы охлаждения, которые в остальном схожи и работают при температуре окружающего воздуха 20 °C. Полностью жидкостная конструкция может работать при температуре от 30 °C до 90 °C, обеспечивая разность температур 60 °C для отвода тепла. Система испарительного охлаждения может работать при температуре от 80 °C до 110 °C. На первый взгляд кажется, что это гораздо меньшая разница температур, но этот анализ упускает из виду огромное количество тепловой энергии, поглощенной во время генерации пара, эквивалентной 500 °C. Фактически, испарительная версия работает при температуре от 80 °C до 560 °C, то есть эффективная разница температур составляет 480 °C. Такая система может быть эффективной даже при гораздо меньших количествах воды.
Недостатком системы испарительного охлаждения является площадь конденсаторов, необходимая для охлаждения пара до температуры ниже точки кипения. Поскольку пар гораздо менее плотен, чем вода, необходима соответственно большая площадь поверхности, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха для обратного охлаждения пара. В конструкции Rolls-Royce Goshawk 1933 года использовались обычные радиатороподобные конденсаторы, и эта конструкция оказалась серьезной проблемой для сопротивления. В Германии братья Гюнтер разработали альтернативную конструкцию, сочетающую испарительное охлаждение и поверхностные радиаторы, расположенные по крыльям самолета, фюзеляжу и даже рулю направления. Несколько самолетов были построены с использованием их конструкции и установили многочисленные рекорды производительности, в частности Heinkel He 119 и Heinkel He 100. Однако эти системы требовали многочисленных насосов для возврата жидкости из разбросанных радиаторов, и оказалось, что поддерживать их правильную работу чрезвычайно сложно. и были гораздо более восприимчивы к боевым повреждениям. К 1940 году от попыток разработать эту систему в целом отказались. Необходимость в испарительном охлаждении вскоре была сведена на нет из-за широкой доступности охлаждающих жидкостей на основе этиленгликоля, которые имели более низкую удельную теплоемкость, но гораздо более высокую температуру кипения, чем вода.
Радиатор самолета, расположенный в воздуховоде, нагревает проходящий через него воздух, заставляя его расширяться и набирать скорость. Это называется эффектом Мередита, и высокопроизводительные поршневые самолеты с хорошо спроектированными радиаторами с низким сопротивлением (особенно P-51 Mustang) получают от него тягу. Тяга была достаточно значительной, чтобы компенсировать сопротивление канала, в котором был заключен радиатор, и позволяла самолету достичь нулевого сопротивления при охлаждении. В какой-то момент даже планировалось оснастить Supermarine Spitfire форсажной камерой, впрыскивая топливо в выхлопной канал после радиатора и поджигая его. Дожигание достигается за счет впрыска дополнительного топлива в двигатель после основного цикла сгорания.
