Raffreddamento: asportare il calore dai motori (Terza parte)
Prima di vedere come avvengono gli scambi termici grazie ai quali il calore passa dai gas ad alta temperatura all’interno del cilindro al fluido refrigerante è opportuno chiarire e sintetizzare alcuni concetti fondamentali.
Tanto per cominciare si dà per scontato che tutti conoscano la differenza esistente tra la temperatura (“quella cosa che si misura con il termometro”, avrebbe detto Einstein) e il calore. Quest’ultimo è una forma di energia e passa da un corpo all’altro (o da una zona all’altra, in una stessa struttura) quando tra di essi esiste una differenza di temperatura.
Il calore si comporta cioè come fluido, il quale scorre se alle due estremità della tubazione o del condotto in cui si trova ci sono due pressioni diverse. Si esprime in joule e, se vogliamo, indica la quantità di energia mentre la temperatura ne indica la qualità.
Una parete di un cilindro o di una testa viene attraversata da un flusso termico (quantità di calore che passa nell’unità di tempo) quando le sue due facce si trovano a temperature diverse. Ed è sottoposta a un dato carico termico, costituito dalla densità del flusso, ovvero dalla quantità di calore che nell’unità di tempo attraversa una superficie unitaria.
Il flusso termico ha le dimensioni di una potenza e si esprime in joule al secondo. Il carico termico ha le dimensioni di una potenza specifica areale, si indica in cavalli per cm2 di superficie dei pistoni e costituisce un affidabile indice delle sollecitazioni termiche che i componenti lambiti dai gas ad alta temperatura devono sopportare.
Ciascuno dei materiali coi quali sono realizzati tali organi meccanici (cilindro, testa, etc…) possiede a sua volta delle ben precise caratteristiche termiche. Ha cioè un calore specifico, una conduttività termica e un coefficiente di dilatazione termica.
Il calore specifico indica la capacità di un materiale di “assorbire” calore, per unità di massa, e si esprime in J/(kg K). Si ricordi qui che 1 K è uguale a 1 °C. La conduttività indica l’attitudine del materiale a farsi attraversare da un flusso termico e si esprime in W/(m K).
La conduzione è appunto uno dei tre modi nei quali si può trasmettere il calore. Le teste e i cilindri sono realizzati in lega di alluminio perché tale materiale, oltre ad essere assai meno denso della ghisa, rispetto ad essa ha anche una conduttività termica notevolmente superiore (più che tripla, in certe leghe). Passando dalla ghisa all’alluminio la temperatura della testa può mediamente ridursi di 30 °C (ma in certe zone nei motori refrigerati ad aria si può arrivare anche a 45 °C).
La trasmissione del calore per convezione ha luogo tramite un fluido in movimento. Se quest’ultimo non è naturale (ovvero, non avviene per via della variazione di densità del fluido causata dal cambiamento di temperatura) si parla di convezione forzata. Dai motori il calore viene asportato in appunto questo modo.
Se il fluido refrigerante è l’aria, a determinarne il passaggio attraverso le alette è l’avanzamento del veicolo, che ha luogo con una certa velocità. In altre parole è il cosiddetto “vento della corsa”. Se invece è l’acqua, a causarne un movimento e farla perciò passare nelle varie intercapedini è una pompa centrifuga azionata meccanicamente.
In passato ci sono stati diversi motori con sistemi di raffreddamento nei quali l’acqua circolava grazie alle variazioni di temperatura che subiva. Nel motore si riscaldava, la densità dell’acqua diminuiva ed essa saliva verso l’alto, raggiungendo il radiatore. All’interno di quest’ultimo essa cedeva calore all’aria e quindi la sua temperatura diminuiva. Ciò determinava un aumento della sua densità, che la portava verso il basso e poi alla base del cilindro. In questi semplici sistemi con circolazione “a termosifone” (nei quali non vi era alcuna pompa) l’asportazione di calore dai cilindri e dalle teste avveniva per convezione naturale.
Il calore viene trasmesso anche per irraggiamento. Con questo termine si indica il trasferimento di energia termica che ha luogo grazie alle onde elettromagnetiche, senza alcun movimento di materia, e addirittura può avvenire anche nel vuoto.
Se ne parla poco ma l’irraggiamento ha una notevole importanza anche in campo motoristico. È anche grazie ad esso che le pareti del cilindro e della camera di combustione ricevono calore e non solo per convezione forzata. Occorre qui tenere presente che la fiamma è molto calda e che la quantità di calore assorbita (o ceduta) per irraggiamento aumenta con la quarta potenza della temperatura. Per quanto riguarda il calore che viene trasmesso dal motore all’ambiente, la quantità dovuta all’irraggiamento può indicativamente essere dell’ordine del 15 – 22% del totale ceduto dalle pareti metalliche, nel funzionamento a pieno carico e ad alto regime.
Di importanza fondamentale ai fini del raffreddamento è il coefficiente di scambio termico tra le superfici metalliche della testa e del cilindro e il fluido refrigerante (che asporta il calore per convezione forzata). I parametri che lo influenzano sono le condizioni della superficie di scambio, la velocità e le caratteristiche del fluido che la lambisce e le modalità con le quali si svolge il flusso. Il materiale della testa e del cilindro in questo caso non c’entra (la conduttività termica è invece fondamentale per quanto riguarda il flusso termico che ha luogo attraverso le pareti metalliche di tali componenti). La quantità di calore che viene rimossa dal fluido refrigerante dipende dal coefficiente di scambio termico, dalla estensione della superficie di scambio e dalla differenza di temperatura tra quest’ultima e il fluido stesso.
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