Væskekjøling

Væskekjøling ( radiator hvis du angir enheten som gir) er basert på å opprettholde en temperatur i et intervall som er så konstant som mulig for en varmemotor , en termostat , skytevåpen og andre teknologiske enheter som mikroprosessoren som brukes i elektronikk , for å garantere dens korrekte og regelmessige drift, forhindrer brudd eller smelting på grunn av de høye temperaturene som nås.

Varmeoverføringen fra elementet som skal kjøles til væsken skjer hovedsakelig ved konveksjon , og derfor ved utveksling av sensibel varme , for systemer som ikke forutser en faseovergang av kjølevæsken , eller ved utveksling av latent varme i tilfelle en endring, slik som skjer i kjølesykluser.

Systemtyper

Væskekjølesystemer kan være:

til vann og vandige løsninger
olje eller lignende ikke-polare væsker
andre væsketyper

For de første systemene er kjølevæsken, som tidligere bestod av destillert vann eller andre kjemiske forbindelser , nå en blanding , hvor det for varmemotoren tilsettes frostvæske til vannet som på grunn av sine kolligative egenskaper har effekt av å heve kokepunktet og senke frysepunktet til væsken, også å kunne beskytte metalldelene mot korrosjon og oksidasjon. Vanligvis trenger de et væskesirkulasjonssystem som en pumpe, og de fungerer, selv under trykk, i området av temperaturer som væsken forblir i flytende tilstand, ikke for mye over hundre grader celsius.

De andre systemene bruker forskjellige typer oljer, vanligvis mineralske (hydrokarboner, silikonoljer, klorfluorkarboner), noen ganger er de enklere systemer utstyrt med kun en radiator og passiv sirkulasjon, og kan fungere selv ved temperaturer i størrelsesorden noen hundre grader celsius .

De nyeste systemene inneholder en rekke spesifikke væsketyper for den aktuelle applikasjonen, fra metaller til smeltede uorganiske salter. Som et eksempel, kjøling ved hjelp av natrium , bly eller metallegeringer av kjernefysiske reaktorkjerner til noen typer kjernekraftverk, med driftstemperaturer til kjølevæskene til og med nær tusen grader Celsius.

Kjøling innen elektronikk og elektroteknikk

Kjent for de fleste brukere for bruk av vannblokken og andre komponenter i kjølingen av brikken som må avkjøles av væsken, den brukes til å holde temperaturen konstant i maskinvaredeler inkludert CPU , GPU , minner og andre brikker som Northbridge.

I elektronikk, problemet med væskekjøling, som tidligere hovedsakelig ble henvist til systemer som tilhørte kraftelektronikk, som transformatoren , oljekjølt, selv med tvungen sirkulasjon som et bilsystem, med økningen av datakraft og fraksjon som forsvinner i varme, har også påvirket de små enhetene som tilhører forbrukerelektronikk. Hovedansvarlig for generering av varme i systemer som krysses av elektriske strømmer er Joule-effekten , av den strømførende komponenten eller av metalldelene som er utsatt for den induserte virvelstrømmen .

De første væskene som ble brukt i elektroteknikk, og fortsatt i bruk i dag, var mineraloljer, vanligvis et halogen . Den lavere varmekapasiteten ble imidlertid kombinert med høyt kokepunkt, høy kjemisk stabilitet ved driftstemperaturer og sikkerhet for å ha en elektrisk isolerende væske. I prosessorer som opererer ved høye elektriske frekvenser, er kraften som forsvinner en lineær funksjon av driftsfrekvensen. Logikkbrikker når ofte svært høye frekvenser, i størrelsesorden flere gigahertz, med påfølgende kjøleproblemer, nødvendig for å bevare deres integritet og effektivitet.

Vannkjøling i varmemotorer

Hovedorganene i vannkjølesystemet i termiske motorer

Hydraulisk pumpe : har som funksjon å sirkulere kjølevæsken inne i de aktuelle hulrommene i motoren.
- Tradisjonell: Den består av et løpehjul av plast eller metall som vanligvis drives av rotasjonen av selve varmemotoren (i bilen ved hjelp av servicebeltet ), denne pumpen er kun til stede i tvungne systemer (som for øyeblikket representerer helheten av denne typen kjøling på transportkjøretøyer), men finnes ikke på frikjølesystemer.
- Elektrisk: Den består av et løpehjul drevet av en elektrisk motor, for å gi en variabel strømning ikke til variasjonen av motorhastigheten, men til variasjonen av driftstemperaturen i henhold til nøyaktige kurver, denne løsningen gjør det også mulig å slippe å ty til bruk av termostatventilen [1] . Videre hjelper en elektrisk pumpe motorpumpens handling i tilfelle kjøretøyet er utstyrt med en varmekrets med rør med betydelig forlengelse.
Den termostatiske bypass -ventilen : har som funksjon å få motoren til å gå raskere inn i det optimale termiske driftsregimet. For systemer utstyrt med denne enheten, når for eksempel motoren nettopp har startet kald, forhindrer en dør som holdes lukket av en spesiell komprimert fjær den kalde kjølevæsken fra å passere gjennom radiatoren, slik at den bare sirkulerer i motorblokken, for å lette rask oppvarming , minst opp til en temperatur vanligvis plassert mellom 70 og 92 ° C (temperaturen varierer fra motor til motor). Når denne temperaturen, kalt termostatens åpningstemperatur, er overskredet, bestemmer utvidelsen av en spesiell voks , satt inn i et vanntett metallteleskoprom, som har smeltepunktet nær den spesifikke temperaturen, en kraft i lik retning, mot motsatt og større modul med hensyn til den elastiske kraften til fjæren som skyver denne døren inn i lukket posisjon, overvinner den og får den til å åpne seg gradvis og følgelig sirkulasjonen av væsken i radiatoren. Når væsken er avkjølt, stivner voksen igjen og døren begynner å lukke seg igjen takket være den elastiske kraften til den komprimerte fjæren.

Kun for åpne kretssystemer

Kretser der væsken ikke holdes lukket i en krets, men væsken som omgir motoren brukes siden den er nedsenket eller ved siden av den, andre systemer er definert som halvlukkede, der det er en intern krets i motoren som settes i kontakt med en ekstern krets [2] .

Væskeinntak , dette er et inntak som samler opp den ferske væsken som omgir motoren (sjøvann, som for en vannscooter).
Væskeavløp , spalte hvorfra væsken kommer ut når den er brukt.

Kun for lukkede sløyfesystemer

Kretser der væsken holdes lukket / forseglet i en krets og en bestemt mengde væske brukes.

Radiator : består av en metallvarmeveksler designet for å kjøle ned væsken som kommer fra motorblokken . Den består av et rutenett av små rør (som væsken passerer gjennom) ispedd finner som effektivt overfører varmen fra væsken til den ytre luftstrømmen som passerer gjennom den, muligens ved hjelp av en vifte, tillater en rask senking av væsken. temperaturen på væskestrømmen ledet inn i den med termostatventilen åpen.
Vifte (ikke alltid til stede): hjelper radiatoren med å overføre varmen som absorberes av kjølevæsken til omgivelsene, hvis det er utilstrekkelig naturlig ventilasjon og derfor tilstrekkelig varmeveksling (for eksempel når kjøretøyet står stille med motoren i gang, når den er i oppoverbakke eller på spesielt varme dager, eller hvis radiatoren, som ofte på busser , er montert vinkelrett på kjøreretningen eller i alle fall slik at den ikke utsettes for nevneverdig luftstrøm på grunn av kjøretøyets bevegelse). Viften, en gang drevet direkte av motoren, er i dag vanligvis koblet til en elektrisk motor, aktivert av termostatbryteren eller av injeksjonskontrollenheten. Likevel, på noen kjøretøy, som terrengkjøretøy, varebiler og lastebiler, er det fortsatt foretrukket å bruke den mekanisk drevne viften, koblet til motoren via servicebeltet eller direkte montert på veivakselen eller på vannpumpen og ofte utstyrt med med en tyktflytende kobling . , mens på busser og busser, for å tillate enda mer presis regulering av motortemperaturen og lavere støy, brukes vanligvis en hydraulisk drevet vifte, kalt hydrovifte , utstyrt med en dedikert hydraulisk krets, med pumpe og en hydraulisk motor (vanligvis begge av den eksterne girtypen ) og et elektronisk system for å regulere strømningshastigheten til hydraulikkvæsken rettet til den hydrauliske motoren og derfor hastigheten til viften, som kontrollerer graden av åpning av en spesiell magnetventil basert på temperaturen på kjølevæsken registrert. På biler utstyrt med klimaanlegg , hvis kondensatoren er montert foran radiatoren, fungerer den samme elektriske viften til motorkjølesystemet også som en vifte for kondensatoren når kjøretøyet står stille eller ved lave hastigheter, og spesielt med kompressoren er aktivert, for å lette kondenseringen av kjølemediet, roteres den også når høytrykks driftstrykkbryteren er lukket , eller i alle fall når en viss trykkverdi for det flytende kjølemediet er nådd, som er middels med hensyn til den kritiske frakoblingsverdien til kompressoren, oppdaget av en transduser plassert på rørledningen høyt trykk og nedstrøms for kondensatoren; i de andre tilfellene er viftene (med relative kontrollsystemer) separate.
Termostatbryter : det er en bryter plassert nær radiatoren og som, når væsketemperaturen overstiger en gitt terskel (vanligvis 90 ° for 4T og 60 ° ≈70 ° for 2T), lukker en elektrisk krets som aktiverer viften. På kjøretøyer utstyrt med en motorkontrollenhet utføres dens funksjon av den samme, utstyrt med en spesiell termistor satt inn i kjølekretsen som oppdager den aktuelle temperaturen til kjølevæsken.

Termometer og indikatorlys : det er en indikator som viser den nøyaktige temperaturen til kjølekretsen, som lar deg analysere hvordan temperaturen varierer og om nødvendig sjekke for eventuelle uregelmessigheter, mens indikatorlyset for for høy eller redusert temperatur er en alarm indikator som lyser når væsketemperaturen når koking eller når det er for kaldt for riktig drift av motoren.
Dette lar deg sjekke om temperaturen er på full kapasitet og følgelig om en motor fungerer på sitt beste, faktisk under disse forholdene er "spillet" mellom de mekaniske delene de riktige. [3]
Måleren på dashbordet: er en væsketemperaturmåler.
Ekspansjonskar (ikke alltid tilstede): det er en liten tank med forskjellige funksjoner, nemlig visuell kontroll av eventuelle lekkasjer i systemet, eventuell etterfylling av den manglende væsken i kjølesystemet, oppsamling av eventuell kokende væske i systemet, tømming av luftbobler som er fanget i systemet, og eventuelle ventiler, for å forhindre at de slipper ut til utsiden, reduserer trykkendringene i systemet og justerer det maksimale trykket takket være en hette utstyrt med spesielle ventiler.

Anleggssyklus i vannkjølte varmemotorer

Væskekjølingssyklusen, hvis den er utstyrt med en termostatventil, varierer i henhold til temperaturen den er funnet ved, hvis temperaturen er lavere enn driftstemperaturen, vil det være en syklus, mens ved normal temperatur vil det være en annen. .

Underløpstemperatur : Når motoren er slått på, settes væsken i sirkulasjon og bevegelse av hydraulikkpumpen, som får den til å strømme i kretsen som er tilstede i motorblokken, og får den til å absorbere varmen fra de ulike delene, uten denne væsken har muligheten til å kjøle seg ned, tvunget til å passere gjennom en kanal som omgår radiatoren og lukker kretsen, til den når en temperatur som er tilstrekkelig til å åpne den termostatiske ventilen og dermed starte syklusen ved temperatur.
Driftstemperatur eller høyere : Når væsken har nådd driftstemperatur, begynner termostatventilen å åpne seg og tilpasser åpningen etter hvor mye varme væsken må spre, med eller uten hjelp av kjøleviften , slik at væske kan pumpes til radiatoren. Når væsken er avkjølt, går den tilbake til monoblokken for å starte temperatursyklusen på nytt.

I mange kjøretøy brukes motorkjølevæsken også til ethvert behov for å varme opp kupeen til bilen (eller, som i tilfellet med offentlig transport, hele kjøretøyet, ved hjelp av en rekke strålende masser eller en viftekonvektor , der vannet som kommer fra motoren sirkuleres ved hjelp av en elektrisk resirkulasjonspumpe); ved hjelp av en ventil, eller alternativt, avhengig av kjøretøyet, et skott, som kan aktiveres av kontrollene på dashbordet (ved hjelp av en velger - ofte en spak eller knott - som varierer mellom "kald luft" -blått og "varm luft" -rød), faktisk kan kjølevannet til motoren - oppvarmet av den - sirkuleres i en sekundærkrets, inkludert en dedikert radiator og vifte, spesielt designet for å varme opp kupeen ved å spre en justerbar del av varmen fra kjølevæsken. , takket være innføringen av en mer eller mindre stor strøm av varm luft (generert av den naturlige strømmen av luft inn i kupéradiatoren fra kjøretøyets ventiler og derfor i forhold til hastigheten den beveger seg med , eller generert av en vifte hvis tenning og hastighet styres av tilleggskontroller på dashbordet - ta den eksterne luften eller muligens resirkulere den interne), eller tillate innstrømningen og dermed oppvarmingen kald luft fra kupeen eller fra utsiden gjennom den aktuelle radiatoren.

Den samme kretsen kan derfor også brukes til å føre luft ved romtemperatur inn i kupeen, ganske enkelt ved å stenge tilgangen til det (varme) vannet som kommer fra motoren ved hjelp av velgeren på det nevnte dashbordet (slik at kort fortalt væsken som finnes i kretsen avkjøles og slutter å varme opp luften) eller alternativt skottet for å blande den kalde luften med den varme, eller for å skape en luftstrøm med ønsket temperatur ved å begrense mengden varmtvann som sirkuleres fra innsiden til motor-/radiatorkrets eller blandeskottåpningen. Det er også mulig å drive oppvarmingen og klimaanleggets kompressor i fellesskap , hvis fordamper vanligvis er plassert i nærheten av varmeradiatoren, for å kunne justere temperaturen på luften som kommer ut av ventilene etter ønske og spesielt til få enda mer luft, tørrere enn det som oppnås ved oppvarming alene. Automatiske klimakontrollsystemer regulerer automatisk driftsparametrene til disse kontrollsystemene ved hjelp av elektromekaniske aktuatorer basert på utetemperaturen, temperaturen inne i kupeen og temperaturen som brukeren ber om.

Med motoren kald ( temperatur under turtallet ), er det derfor lurt å unngå å aktivere viften for innføring av (varm) luft i kupeen, og det er også lurt å lukke luftstrømmen som ledes til radiatoren at kupeen varmes opp fra kjøretøyets bevegelse, slik at motoren kan varmes opp uten å spre varme for luftkondisjonering for tidlig; med disse tiltakene kan kupévarmekretsen holdes i kommunikasjon med motorens kjølekrets (spak / kald / varmluftsvelger plassert på varm-rød) selv når motoren er kald, noe som favoriserer likevekten mellom trykk- og temperaturnivåene av væskekjølingen i de ulike delene av den totale kretsen. Tvert imot, i tilfelle motoren overopphetes, er det mulig å åpne vinduene, stille inn maksimal luftoppvarming og maksimal ventilasjonshastighet for å lette avkjølingen av væsken som er tilstede i kretsen, og gi en del av varmen fra væsken til luftstrømmen i cockpiten.

For å lette oppstarten av motoren og driften av varmeradiatoren i spesielt tøffe klimaer ved å raskt nå driftstemperaturen til kjølevæsken, kan motorkjøretøyer utstyres med en enhet som kalles en motorblokkvarmer , som ofte består av spesielt i tunge kjøretøy, i en liten kjele drevet av det samme drivstoffet som driver varmemotoren, sammen med en elektrisk resirkuleringspumpe for kjølevæske (som tillater sirkulasjon av kjølevæsken i systemet og derfor forvarming av blokken og oppvarming av kupeen selv med motoren er av og derfor i fravær av rotasjon av hovedvannpumpen).

I kjøretøy hvor væsken fra motorens kjølekrets også brukes til oppvarming av kupeen, de relative lufte-/utluftingsoperasjonene (via ventilen som er plassert på toppen av kjøle radiatoren, og - hvis tilstede - også gjennom ventilen iht. lufteventilen plassert i tilkoblingskanalen til radiatoren for oppvarming av kupeen), den komplementære påfyllingen av væske (gjennom lokket på ekspansjonstanken eller et annet inngangspunkt), eller tømming/utskifting av denne (ved hjelp av av tømmekranen eller frigjøring av den nedre hylsen), må, for å unngå fare for skade, alltid utføres med "kald luft" -blå / "varmluft" -rød velger på dashbordet plassert helt på "luft" varm "-rød, straff, i tilfelle at kupévarmesystemet inkluderer en kran eller en magnetventil som kontrollerer flyten av væske til den relative varmeradiatoren dannelse og/eller vedvarende i kjølekretsen av farlige luftbobler som alvorlig kan skade riktig kjøling av motoren (med mulig skade på sylinderhodepakningen ) og/eller riktig oppvarming av kupeen.

I kjøretøy med motorer der det er en termostatventil, må ventilasjons-/påfyllingsoperasjonene ta hensyn til at når motoren er av og kald (en foreløpig betingelse for å fortsette) er den termostatiske ventilen naturlig stengt, og at etter at den åpnes ved motor i gang / varm - utføres med maskinen stoppet og i noen minutter, akkurat lenge nok til at termostatventilen åpner - vil det mest sannsynlig være nødvendig å lufte ut / lufte ut igjen og/eller tilsette mer væske (følg nivå i ekspansjonstanken i denne forbindelse / etterfylling i forhold til referanseindikatorene for optimalt nivå).

Tilstedeværelsen av luftbobler i kjølekretsen er en vanlig årsak til mange alvorlige funksjonsfeil i væskekjølesystemet og derfor motorslitasje, siden i tillegg til å redusere mengden av væsken som sprer varmen, risikerer luftbobler å forhindre termisk sonde / pære (eller termostatbryter) som oppdager kjølevannstemperaturen fra å komme i kontakt med den, og dermed gir feil verdier som dårlig kan håndtere handlingene etter temperaturdeteksjonen (f.eks.: kjølevifte feiler å slå på, feil eller feil justering av luft/drivstoffblandingens tittel når motoren er varm); det er derfor lurt å syklisk kontrollere at kretsen er fri for luftbobler ved hjelp av lufting/utlufting. En nyttig ledetråd for å mistenke tilstedeværelsen av luftbobler i kjølekretsen er å høre gurglen som kommer fra ekspansjons-/påfyllingstanken til kjølevæsken (som samtidig observerer at tilstedeværelsen av en unormal koking er synlig - om enn lys - av selve væsken ) eller fra andre elementer i kjølekretsen (f.eks: kupévarmeradiator; spesielt kan svikt i samme være et symptom på tilstedeværelsen av luftbobler i kretsen).

Advarsel: utlufting / tømming av kjølekretsen kan forårsake brannskader på grunn av mulige luft- og vannstråler, selv ekstremt varme, unngå uforsiktighet!

Sylinderstruktur i vannkjølte termiske motorer

I stempelmotoren kan væskekjøling strømme over en sylinder som er utformet på forskjellige måter:

Åpent dekk [4] , hvor sylinderforingen ikke er koblet til den ytterste delen av sylinderen, og derfor er det den totale mellomposisjonen av kjølevæsken, som sikrer størst mulig kjøling, men gir minst mulig stivhet
Halvlukket dekk [5] [6] , i motsetning til "Open deck", har den støtter i de øvre ender av sylinderen, som er tilstede på sidene, foran og bak, for å stive av sylinderen og forbedre motstanden.
Lukket dekk [7] , disse sylindrene har en støtte langs hele sylinderens omkrets bortsett fra noen få vinduer for passasje av kjølevæsken, eller de har kun rette gjennomløpskanaler for kjølevæsken og gir størst mulig stivhet, for noen sylindre du kan ha en hul ring som kobler hver kanal til bunnen av sylinderen.
Dry deck [8] [9] , disse sylindrene er karakterisert ved fravær av hull på lagerflaten til sylinderhodet, dette for å tillate større stivhet og pålitelighet, også unngå mulig trekking av kjølevæske i sylinderen, denne løsningen brukes på noen Formel 1- . [10]

Sammenligning av luft- og vannkjøling i varmemotorer

Fordeler

Væskesystemet er preget av:

Tillat å ha en nøyaktig kontroll over temperaturen på apparatet
Mindre støyende system på grunn av tilstedeværelsen av væskekanaler som tykner sylinderen og isolerer den akustisk
Større plasseringsfrihet for varmevekslerflaten

Ulemper

Væskesystemet er preget av:

Be om vedlikehold for å kontrollere væskenivået og etterfyll om nødvendig
Dyrere system enn et luftkjølt apparat
Økt vekt på systemet, da det kreves slanger, pumper og radiatorer som ikke er tilstede i luftkjølesystemet

Tiltak

Disse kjølesystemene kan dra nytte av forholdsreglene til:

Trykksetting : ved å sette kretsen under trykk og øke trykket, når det gjelder vann og dets løsninger, stiger kokepunktet til kjølevæsken.
Frostvæske : stoff som tilsettes kjølekretsen sammen med destillert vann, for å unngå skadelig frysing av kjølevæsken med motoren av - eller i deler av kretsen plassert i bypass av en termostatventil - hvis omgivelsestemperaturen synker til rundt 0 ° C eller lenger ned, holde kjølemediet i flytende tilstand selv med omgivelsestemperaturer ned til -20 ° C og til og med -40 ° C; legger til den ekstra fordelen ved å øke kokepunktet.
Persienner : dette er et automatisk eller manuelt system som gjør det mulig å forbedre regelmessigheten av driften av kjølesystemet, unngå eller redusere gjentatt åpning og lukking av termostatventilen, tillater en mer konstant strøm av kjølevæsken og unngå overdreven kjølefaser i faser av overdreven oppvarming.
Mens i systemer uten termostatventil er funksjonen avgjørende for å regulere og kontrollere motortemperaturen.

Behandlinger

Kjølekretsen kan støte på problemer som kan løses eller bufres med visse behandlinger:

Lekkasjestopp eller tetningsmiddel for radiatorer, lar deg blokkere de små lekkasjene forårsaket av mikrosprekker i kjølekretsen eller radiatoren til kupeen.
Kretsrenser eller radiatorrens, dette er en væske som kan blandes med kjølevæsken og lar deg fjerne avleiringer som har akkumulert over tid.

Merknader

^ Første resultater av testing av et faseendringskjølesystem for MCI
^ Kjøling av forbrenningsmotor
^ Hva med vanntermometeret?
^ Åpne dekksylinderen
^ Halvlukket dekksylinder. Arkivert 9. mars 2014 på Internet Archive .
^ Sammenligning av lukkede dekk, semi-lukket dekk og åpent dekk ( JPG ) sylinder, på images.thesamba.com . Hentet 8. mars 2014 (arkivert fra originalen 9. mars 2014) .
^ Lukket dekksylinder
^ 4400 HK Twin-Turbo Hemi
^ Smarte induksjonssystemer bygger styrke i verdens første ettermarked Cleveland Crate Engine - The Titus
^ Massimo Clarke, Hvor er japanerne? , i Masterbike , vol. 3, nei. 8/9, august / september 2010, s. 108-114.