Como a eficiência térmica dos motores de combustão interna aumenta com a temperatura interna, o líquido refrigerante é mantido a uma pressão superior à atmosférica para aumentar o seu ponto de ebulição. Uma válvula de alívio de pressão calibrada geralmente é incorporada na tampa de abastecimento do radiador. Essa pressão varia entre os modelos, mas normalmente varia de 4 a 30 psi (30 a 200 kPa).[4]
À medida que a pressão do sistema de refrigeração aumenta com o aumento da temperatura, atingirá o ponto onde a válvula de alívio de pressão permite que o excesso de pressão escape. Isso irá parar quando a temperatura do sistema parar de subir. No caso de um radiador (ou tanque coletor) cheio demais, a pressão é liberada permitindo que um pouco de líquido escape. Este pode simplesmente escoar para o solo ou ser recolhido num recipiente ventilado que permanece à pressão atmosférica. Quando o motor é desligado, o sistema de arrefecimento esfria e o nível do líquido cai. Em alguns casos em que o excesso de líquido foi recolhido numa garrafa, este pode ser “sugado” de volta para o circuito principal de refrigeração. Em outros casos, não é.
Antes da Segunda Guerra Mundial, o líquido refrigerante do motor geralmente era água pura. O anticongelante era usado exclusivamente para controlar o congelamento, e isso muitas vezes só era feito em climas frios. Se deixar água pura congelar no bloco de um motor, a água pode se expandir à medida que congela. Este efeito pode causar graves danos internos ao motor devido à expansão do gelo.
O desenvolvimento de motores de aeronaves de alto desempenho exigiu refrigerantes aprimorados com pontos de ebulição mais elevados, levando à adoção de misturas de glicol ou água-glicol. Isso levou à adoção de glicóis por suas propriedades anticongelantes.
Desde o desenvolvimento de motores de alumínio ou de metais mistos, a inibição da corrosão tornou-se ainda mais importante do que o anticongelante, e em todas as regiões e estações.
Um tanque de transbordamento que seca pode resultar na vaporização do líquido refrigerante, o que pode causar superaquecimento localizado ou geral do motor. Podem ocorrer danos graves se o veículo ficar acima da temperatura. Falhas como juntas de cabeçote queimadas e cabeçotes ou blocos de cilindros empenados ou rachados podem ser o resultado. Às vezes não haverá aviso, porque o sensor de temperatura que fornece dados para o medidor de temperatura (mecânico ou elétrico) está exposto ao vapor de água, e não ao líquido refrigerante, proporcionando uma leitura falsa e prejudicial.
Abrir um radiador quente diminui a pressão do sistema, o que pode fazer com que ele ferva e ejete líquido e vapor perigosamente quentes. Portanto, as tampas dos radiadores geralmente contêm um mecanismo que tenta aliviar a pressão interna antes que a tampa possa ser totalmente aberta.
A invenção do radiador de água para automóveis é atribuída a Karl Benz. Wilhelm Maybach projetou o primeiro radiador em favo de mel para o Mercedes 35hp
Às vezes é necessário que um carro seja equipado com um segundo radiador, ou auxiliar, para aumentar a capacidade de refrigeração, quando o tamanho do radiador original não pode ser aumentado. O segundo radiador é conectado em série com o radiador principal do circuito. Este foi o caso quando o Audi 100 foi turboalimentado pela primeira vez, criando o 200. Estes não devem ser confundidos com intercoolers.
Alguns motores possuem um radiador de óleo, um pequeno radiador separado para resfriar o óleo do motor. Carros com transmissão automática geralmente têm conexões extras com o radiador, permitindo que o fluido da transmissão transfira seu calor para o líquido refrigerante no radiador. Estes podem ser radiadores óleo-ar ou uma versão menor do radiador principal. Mais simplesmente, podem ser refrigeradores de óleo-água, onde um tubo de óleo é inserido dentro do radiador de água. Embora a água seja mais quente que o ar ambiente, sua maior condutividade térmica oferece resfriamento comparável (dentro dos limites) de um resfriador de óleo menos complexo e, portanto, mais barato e confiável. Menos comumente, fluido de direção hidráulica, fluido de freio e outros fluidos hidráulicos podem ser resfriados por um radiador auxiliar em um veículo.
Motores turboalimentados ou superalimentados podem ter um intercooler, que é um radiador ar-ar ou ar-água usado para resfriar a carga de ar que entra - não para resfriar o motor.
Aeronaves com motores de pistão refrigerados a líquido (geralmente motores em linha em vez de radiais) também requerem radiadores. Como a velocidade no ar é maior do que a dos carros, estes são resfriados de forma eficiente durante o vôo e, portanto, não requerem grandes áreas ou ventiladores de resfriamento. Muitas aeronaves de alto desempenho, entretanto, sofrem problemas extremos de superaquecimento quando ociosas no solo - apenas sete minutos para um Spitfire.[6] Isso é semelhante aos carros de Fórmula 1 de hoje, quando parados no grid com os motores funcionando, eles exigem ar canalizado forçado para dentro dos radiadores para evitar superaquecimento.
Reduzir o arrasto é um objetivo importante no projeto de aeronaves, incluindo o projeto de sistemas de refrigeração. Uma técnica inicial era aproveitar o fluxo de ar abundante de uma aeronave para substituir o núcleo do favo de mel (muitas superfícies, com uma alta proporção de superfície para volume) por um radiador montado na superfície. Isso usa uma única superfície misturada à fuselagem ou ao revestimento da asa, com o refrigerante fluindo através de tubos na parte traseira dessa superfície. Esses projetos foram vistos principalmente em aeronaves da Primeira Guerra Mundial.
Como são tão dependentes da velocidade no ar, os radiadores de superfície são ainda mais propensos ao superaquecimento durante a operação no solo. Aeronaves de corrida como o Supermarine S.6B, um hidroavião de corrida com radiadores embutidos nas superfícies superiores de seus flutuadores, foram descritas como "voando no medidor de temperatura" como o principal limite de seu desempenho.
Radiadores de superfície também foram usados por alguns carros de corrida de alta velocidade, como o Blue Bird de Malcolm Campbell de 1928.
Geralmente é uma limitação da maioria dos sistemas de resfriamento que o fluido de resfriamento não ferva, pois a necessidade de manusear o gás no fluxo complica muito o projeto. Para um sistema resfriado a água, isso significa que a quantidade máxima de transferência de calor é limitada pela capacidade térmica específica da água e pela diferença de temperatura entre a temperatura ambiente e 100 °C. Isto proporciona um resfriamento mais eficaz no inverno ou em altitudes mais elevadas, onde as temperaturas são baixas.
Outro efeito que é especialmente importante no resfriamento de aeronaves é que a capacidade de calor específico muda e o ponto de ebulição diminui com a pressão, e essa pressão muda mais rapidamente com a altitude do que com a queda na temperatura. Assim, geralmente, os sistemas de refrigeração líquida perdem capacidade à medida que a aeronave sobe. Este foi um grande limite para o desempenho durante a década de 1930, quando a introdução dos turbocompressores permitiu pela primeira vez viagens convenientes em altitudes acima de 15.000 pés, e o projeto de resfriamento tornou-se uma importante área de pesquisa.
A solução mais óbvia e comum para esse problema era operar todo o sistema de refrigeração sob pressão. Isto manteve a capacidade térmica específica num valor constante, enquanto a temperatura do ar exterior continuou a cair. Esses sistemas melhoraram assim a capacidade de resfriamento à medida que subiam. Para a maioria dos usos, isso resolveu o problema de resfriamento de motores a pistão de alto desempenho, e quase todos os motores de aeronaves refrigerados a líquido do período da Segunda Guerra Mundial usaram essa solução.
No entanto, os sistemas pressurizados também eram mais complexos e muito mais suscetíveis a danos - como o fluido de resfriamento estava sob pressão, até mesmo danos menores no sistema de resfriamento, como um único buraco de bala do calibre de um rifle, fariam com que o líquido espirrasse rapidamente para fora do sistema. buraco. As falhas nos sistemas de refrigeração foram, de longe, a principal causa de falhas no motor.
Embora seja mais difícil construir um radiador de aeronave capaz de lidar com vapor, isso não é de forma alguma impossível. O principal requisito é fornecer um sistema que condense o vapor de volta ao líquido antes de devolvê-lo às bombas e completar o circuito de resfriamento. Tal sistema pode aproveitar o calor específico de vaporização, que no caso da água é cinco vezes a capacidade de calor específico na forma líquida. Ganhos adicionais podem ser obtidos permitindo que o vapor fique superaquecido. Tais sistemas, conhecidos como resfriadores evaporativos, foram objeto de considerável pesquisa na década de 1930.
Considere dois sistemas de resfriamento semelhantes, operando a uma temperatura ambiente de 20 °C. Um projeto totalmente líquido pode operar entre 30 °C e 90 °C, oferecendo 60 °C de diferença de temperatura para dissipar o calor. Um sistema de resfriamento evaporativo pode operar entre 80 °C e 110 °C. À primeira vista, isto parece ser uma diferença de temperatura muito menor, mas esta análise ignora a enorme quantidade de energia térmica absorvida durante a geração de vapor, equivalente a 500 °C. Com efeito, a versão evaporativa opera entre 80 °C e 560 °C, uma diferença de temperatura efetiva de 480 °C. Tal sistema pode ser eficaz mesmo com quantidades muito menores de água.
A desvantagem do sistema de resfriamento evaporativo é a área dos condensadores necessária para resfriar o vapor abaixo do ponto de ebulição. Como o vapor é muito menos denso que a água, é necessária uma área de superfície correspondentemente maior para fornecer fluxo de ar suficiente para resfriar o vapor novamente. O projeto Rolls-Royce Goshawk de 1933 usava condensadores convencionais semelhantes a radiadores e esse projeto provou ser um sério problema de arrasto. Na Alemanha, os irmãos Günter desenvolveram um design alternativo combinando resfriamento evaporativo e radiadores de superfície espalhados pelas asas da aeronave, fuselagem e até mesmo pelo leme. Várias aeronaves foram construídas usando seu projeto e estabeleceram vários recordes de desempenho, notadamente o Heinkel He 119 e o Heinkel He 100. No entanto, esses sistemas exigiam inúmeras bombas para retornar o líquido dos radiadores espalhados e provaram ser extremamente difíceis de manter funcionando corretamente. , e eram muito mais suscetíveis a danos de batalha. Os esforços para desenvolver este sistema foram geralmente abandonados em 1940. A necessidade de resfriamento evaporativo logo seria negada pela ampla disponibilidade de refrigerantes à base de etilenoglicol, que tinham um calor específico mais baixo, mas um ponto de ebulição muito mais alto que a água.
Um radiador de aeronave contido em um duto aquece o ar que passa, fazendo com que o ar se expanda e ganhe velocidade. Isso é chamado de efeito Meredith, e aeronaves a pistão de alto desempenho com radiadores de baixo arrasto bem projetados (notadamente o P-51 Mustang) obtêm impulso dele. O empuxo foi significativo o suficiente para compensar o arrasto do duto no qual o radiador estava fechado e permitiu que a aeronave atingisse zero arrasto de resfriamento. A certa altura, havia até planos para equipar o Supermarine Spitfire com um pós-combustor, injetando combustível no duto de exaustão após o radiador e acendendo-o. A pós-combustão é obtida pela injeção de combustível adicional no motor a jusante do ciclo de combustão principal.
