Il raffreddamento a liquido (radiatore se si indica il dispositivo che provvede) si basa sul mantenimento di una temperatura in un intervallo quanto più costante possibile di un motore termico, di un termostato, di armi da fuoco e di altri apparati tecnologici come il microprocessore usati in elettronica, in modo da garantirne il corretto e regolare funzionamento prevenendo la rottura o la fusione per le alte temperature raggiunte.
Il trasferimento termico dall'elemento da raffreddare al fluido, avviene principalmente per convezione, e quindi per scambio di calore sensibile, per i sistemi che non prevedono una transizione di fase del fluido refrigerante, o per scambio di calore latente nel caso di un cambiamento, come ad esempio avviene nei cicli frigoriferi.
Tipi di sistemi
I sistemi di raffreddamento a liquido possono essere: ad acqua, e soluzioni acquose a olio, o simili fluidi apolari altri tipi liquidi
Per i primi sistemi, il fluido refrigerante, che in tempi passati era costituito da acqua distillata, o altri composti chimici, oggi è una miscela, dove, per il motore termico, all'acqua viene aggiunto l'antigelo che, per le proprietà colligative ha l'effetto di innalzare il punto d'ebollizione e abbassare quello di congelamento del liquido, potendo anche proteggere le parti metalliche da corrosione e ossidazione. In genere necessitano di un sistema di circolazione del fluido come una pompa, e lavorano, anche sotto pressione, nell'ambito di temperature per cui il fluido rimane allo stato liquido, non troppo oltre il centinaio di gradi celsius.
I secondi sistemi utilizzano diversi tipi di oli, in genere minerali (idrocarburi, oli siliconici, clorofluorocarburi), a volte sono sistemi più semplici muniti solo di un radiatore e circolazione passiva, e possono lavorare anche a temperature dell'ordine di alcune centinaia di gradi celsius.
Gli ultimi sistemi incorporano una varietà di liquidi di tipo specifico per l'applicazione in oggetto, da metalli ai sali inorganici fusi. Come esempio, il raffreddamento tramite sodio, piombo, o leghe metalliche, dei noccioli di reattore nucleare a fissione di alcune tipologie di Centrale elettronucleare, con temperature di esercizio dei fluidi refrigeranti anche prossimi al migliaio di gradi celsius.
Il raffreddamento in elettronica e elettrotecnica
Noto alla maggior parte dell'utenza per l'uso del waterblock e altri componenti nel raffreddamento del chip che richiede di essere raffreddato dal liquido, viene usato per mantenere la temperatura costante in parti hardware tra cui la CPU, il GPU, le memorie e altri chip come il Northbridge.
In elettronica, il problema del raffreddamento a liquido che in passato era relegato principalmente in sistemi appartenenti all'elettrotecnica di potenza, come il trasformatore, raffreddati ad olio, anche con circolazione forzata al pari di un impianto di tipo automobilistico, con l'aumentare della potenza di calcolo e della frazione dissipata in calore, ha toccato anche i piccoli apparati appartenenti all'elettronica di consumo. Principale responsabile della generazione di calore nei sistemi percorsi da correnti elettriche è l'effetto Joule, del componente sotto tensione o delle parti metalliche soggette alla Corrente parassita indotte.
I primi liquidi utilizzati in elettrotecnica, e tuttora in uso, furono oli minerali, normalmente un alogeno. Alla minore capacità termica, si univa però un alto punto d'ebollizione, un'alta stabilità chimica alle temperature d'esercizio e la sicurezza di disporre di un liquido elettricamente isolante. Nei processori funzionanti a frequenze elettriche elevate, la potenza dissipata è una funzione lineare della frequenza di funzionamento. I chip logici arrivano spesso ad elevatissime frequenze, nell'ordine di diversi gigahertz, con conseguenti problemi di raffreddamento, necessario allo scopo di preservarne l'integrità e l'efficienza.
Il raffreddamento ad acqua nei motori termici Organi principali dell'impianto di raffreddamento ad acqua nei motori termici
Pompa idraulica: ha la funzione di far circolare il liquido refrigerante dentro le apposite cavità del motore. Tradizionale: Essa è costituita da una girante di plastica o di metallo azionata generalmente dalla rotazione del motore termico stesso (nell'autovettura mediante la cinghia dei servizi), questa pompa è presente solo negli impianti forzati (che attualmente rappresentano la totalità di questo tipo di raffreddamento sui veicoli di trasporto), ma non è presente sugli impianti a raffreddamento libero. Elettrica: Essa è costituita da una girante azionata da un motore elettrico, in modo da conferire una portata variabile non al variare del regime del motore, ma al variare della temperatura d'esercizio secondo precise curve, questa soluzione permette anche di non dover ricorrere all'uso della valvola termostatica. Inoltre, una pompa elettrica coadiuva l'azione della pompa del motore nel caso in cui il mezzo sia equipaggiato di un circuito di riscaldamento con tubazioni di importante estensione. La valvola termostatica bypass: ha la funzione di far entrare più velocemente il motore nel regime termico di funzionamento ottimale. Per i sistemi provvisti di questo accorgimento, quando ad esempio il motore si è appena avviato a freddo, uno sportello tenuto chiuso da un'apposita molla compressa impedisce al liquido refrigerante freddo di transitare per il radiatore, facendolo circolare solamente nel blocco motore, in modo da facilitarne il rapido riscaldamento, almeno fino a una temperatura solitamente collocata tra i 70 e i 92 °C (la temperatura varia da motore a motore). Superata tale temperatura, detta temperatura di apertura del termostato, l'espansione di una speciale cera, inserita in un compartimento telescopico metallico a tenuta stagna, che ha il punto di fusione in prossimità di quella determinata temperatura, determina una forza di direzione uguale, verso opposto e modulo maggiore rispetto alla forza elastica della molla che spinge tale sportello nella posizione chiusa, vincendola e provocando l'apertura graduale dello stesso e di conseguenza il circolo del liquido nel radiatore. Una volta che il liquido si è raffreddato, la cera solidifica nuovamente e lo sportello ricomincia a richiudersi grazie alla forza elastica della molla compressa.
Solo per i sistemi a circuito aperto Circuiti in cui il liquido non viene mantenuto chiuso in un circuito, ma si usa il liquido che avvolge il motore dato che questo ne è immerso o adiacente, altri sistemi si definiscono semichiusi, dove si ha un circuito interno del motore che viene messo a contatto con un circuito esterno. Presa del liquido, questa è una presa che raccoglie il liquido fresco che avvolge il motore (acqua di mare, come nel caso di moto d'acqua). Scarico del liquido, feritoia da cui fuoriesce il liquido una volta usato.
Solo per i sistemi a circuito chiuso
Circuiti in cui il liquido viene mantenuto chiuso/stagno in un circuito e si usa una ben determinata quantità di liquido. Radiatore: è costituito da uno scambiatore di calore metallico atto a far raffreddare il liquido proveniente dal blocco motore. Esso è costituito da una griglia di tubicini (nei quali transita il liquido) intervallati da alette che, cedendo efficacemente il calore del liquido alla corrente di aria esterna che vi transita, eventualmente con l'aiuto di una ventola, consentono un rapido abbassamento della temperatura del flusso di liquido deviato in esso a valvola termostatica aperta. Ventola (non sempre presente): aiuta il radiatore nella cessione all'ambiente del calore assorbito dal liquido di raffreddamento, qualora non vi fosse una sufficiente ventilazione naturale e quindi un sufficiente scambio termico (ad esempio, quando il veicolo è fermo a motore acceso, quando è impegnato in una salita o in giornate particolarmente calde, oppure se, come di frequente sugli autobus, il radiatore è montato perpendicolarmente al senso di marcia o comunque in modo che non sia sottoposto a un apprezzabile flusso d'aria dovuto allo spostamento del mezzo). La ventola, una volta trascinata direttamente dal motore, oggi è generalmente collegata a un motorino elettrico, attivato dall'interruttore termostatico o dalla centralina di iniezione. Ciononostante, su alcuni mezzi, come fuoristrada, furgoni e camion, si preferisce ancora impiegare il ventilatore ad azionamento meccanico, collegato al motore tramite la cinghia dei servizi o direttamente montato sull'albero motore o sulla pompa dell'acqua e spesso fornito di giunto viscoso, mentre su autobus e pullman, per consentire una regolazione ancora più precisa della temperatura del motore e una minore rumorosità, è in genere impiegato un ventilatore ad azionamento idraulico, detto idroventola, provvisto di un circuito idraulico dedicato, con una pompa e un motore idraulico (solitamente entrambi del tipo a ingranaggi esterni) e un sistema elettronico per la regolazione della portata del fluido idraulico diretto al motore idraulico e quindi della velocità della ventola, comandante il grado di apertura di un'apposita elettrovalvola in base alla temperatura del liquido di raffreddamento registrata. Sulle autovetture munite di aria condizionata, se il condensatore è montato davanti al radiatore, la stessa elettroventola dell'impianto di raffreddamento del motore fa anche da ventola per il condensatore a veicolo fermo o a basse velocità e, in particolare, a compressore attivato, al fine di facilitare la condensazione del fluido refrigerante è messa in rotazione anche alla chiusura del pressostato operativo di alta pressione o comunque al raggiungimento di un determinato valore di pressione del refrigerante liquido intermedio rispetto a quello critico di distacco del compressore, rilevato da un trasduttore posto sulla tubazione di alta pressione e a valle del condensatore; negli altri casi le ventole (con relativi sistemi di controllo) sono separate. Interruttore termostatico: è un interruttore posto nelle vicinanze del radiatore e che, quando la temperatura del liquido supera una data soglia (generalmente i 90° per i 4T e 60°≈70° per i 2T), chiude un circuito elettrico che mette in azione la ventola. Sui veicoli muniti di unità di controllo motore, la sua funzione è svolta dalla medesima, munita di apposito termistore inserito nel circuito di raffreddamento che rileva la temperatura corrente del liquido di raffreddamento.
Termometro e spia luminosa: è un indicatore che visualizza la temperatura precisa del circuito di raffreddamento, che permette di analizzare come varia la temperatura ed eventualmente di verificare eventuali anomalie, mentre la spia luminosa di temperatura eccessiva o ridotta è indicatore di allarme che si illumina quando la temperatura del liquido raggiunge l'ebollizione o quando è eccessivamente freddo per il corretto funzionamento del motore.Questo permette di verificare se la temperatura è a regime e di conseguenza se un motore funziona al meglio, infatti in queste condizioni i “giochi” tra gli organi meccanici sono quelli corretti. L'indicatore sul cruscotto: è un indicatore della temperatura del liquido. Vaso di espansione (non sempre presente): è un piccolo serbatoio con diverse funzioni, ossia il controllo visivo di eventuali perdite nell'impianto, l'eventuale rabbocco del liquido mancante nell'impianto di raffreddamento, la raccolta di quello eventualmente in ebollizione nell'impianto, lo spurgo di eventuali bolle d'aria intrappolate nell'impianto, e di eventuali sfiati, per impedirne la fuoriuscita all'esterno, diminuire gli sbalzi di pressione nell'impianto e regolare la pressione massima grazie ad un tappo munito di apposite valvole.
Ciclo dell'impianto nei motori termici raffreddati ad acqua