Diseño de motor temprano, una analogía de bañera y una chaqueta ajustada
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Los primeros motores refrigerados por líquido rodeaban sus cilindros y culatas con mucha agua en grandes camisas de agua y, a menudo, no tenían ninguna bomba. El refrigerante que circula por convección, por ejemplo, agua más caliente, se expande, se vuelve menos denso y, en consecuencia, sube lentamente fuera del motor a través de una manguera muy grande hacia el radiador donde se enfrió, se contrae ligeramente y, por lo tanto, se vuelve más denso, cayendo de nuevo al motor a través de un segunda manguera en la parte inferior del radiador.
Este sistema de termosifón funcionó bien, pero a medida que los motores se volvieron más potentes, la velocidad de circulación lenta del termosifón permitió la formación de bolsas de vapor, lo que provocó el sobrecalentamiento de los motores.
Los primeros ingenieros determinaron que mover el agua a través del motor lo suficientemente rápido como para eliminar posibles bolsas de vapor, lo que evitaba el sobrecalentamiento y, por lo tanto, agregaba bombas de agua. Todavía había problemas, así que luego comenzaron a hacer los pasajes de refrigerante más pequeños. Al hacerlo, aumentó la presión del bloque y el refrigerante tuvo que moverse a través de ellos más rápido.
¿Por qué la circulación muy lenta a través de las grandes camisas de agua no logró mantenerse al ritmo de los aumentos de potencia del motor? La respuesta tiene que ver con la diferencia entre flujos lentos y rápidos. Cuando el flujo se mueve lentamente, tiende a moverse en capas que no se mezclan bien entre sí.
Imagínate sumergiéndote en una bañera caliente. A medida que el agua comienza a enfriarse, removemos el agua para sentir el calor nuevamente. El agua ha transferido el calor del agua a nuestra piel y el agua contra nuestra piel se ha enfriado y nos sentimos menos calientes. Cuando agitamos el agua, traemos agua de otro lugar en contacto con nuestra piel. Un jacuzzi, por el que circula agua caliente, mueve constantemente las capas de agua más frías junto a nuestra piel, y reemplazándola por agua caliente que acaba de pasar por el calentador.
En un motor con una camisa de agua grande y refrigerante de movimiento lento, la capa de agua junto al cilindro caliente y las superficies de la culata se calienta rápidamente, posiblemente lo suficiente como para hervirla, pero el agua en las capas más distantes permanece fría.
Cuando agitamos el agua del baño para traer agua caliente distante para que nos sintiéramos calientes nuevamente, creamos turbulencias: remolinos aleatorios, movimiento de mezcla. A medida que el flujo de fluido se acelera, se alcanza un punto en el que el movimiento en capas, el llamado "flujo laminar", se reemplaza por un flujo turbulento. En un motor, el flujo turbulento mejora el enfriamiento al poner constantemente el fluido más frío de todas las partes del flujo en contacto directo con las superficies calientes que queremos enfriar, el bloque mismo.
El calor fluye de un objeto más caliente a uno más frío en proporción directa a la diferencia de temperatura entre ellos, por lo que el flujo turbulento mejora el enfriamiento al poner constantemente en contacto todas las partes del flujo (no solo una capa delgada) con superficies calientes. Esta es la razón por la cual hacer que los conductos de refrigerante sean más pequeños para obligar al refrigerante a volverse más turbulento ha tenido tanto éxito en la mejora del enfriamiento. Cuanto mayor sea la velocidad del flujo de refrigerante, más turbulento se vuelve y más calor se puede intercambiar.
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