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I PERCORSI DEL CALORE
Come funziona il circuito di raffreddamento
di Roberto Maurelli (mar.2009)
 Il motore è un convertitore di energia termica in
energia meccanica. Non tutta l’energia termica originata dalla
combustione può, tuttavia, essere trasformata: una grande quantità di
quel calore, purtroppo, viene perduta in quanto fuoriesce insieme ai gas
di scarico oppure viene ceduta alle pareti metalliche.
Per
evitare, allora, che gli organi a contatto con questi gas ad
elevatissima temperatura possano riscaldarsi eccessivamente, vi è
bisogno di un adeguato impianto di raffreddamento, che deve essere tanto
più efficace quanto più estreme sono le prestazioni che si vogliono
raggiungere.
Un
insufficiente raffreddamento avrebbe effetti negativi soprattutto
sull’olio lubrificante, che verrebbe ad indurirsi perdendo
progressivamente tutte le sue proprietà e potendo determinare anche il
grippaggio del motore. Non sono da trascurare, poi, eventuali problemi
di detonazione, di cedimento della guarnizione della testa ed, infine,
di scadimento delle caratteristiche di resistenza di alcune componenti
realizzate con metalli come l’alluminio.
Per
evitare tutte queste complicazioni, i progettisti sono obbligati ad
inserire nell’architettura del propulsore un circuito di raffreddamento
che, nella sua forma più elementare potrebbe essere descritto così: una
pompa dell’acqua che mette in circolo il liquido refrigerante attraverso
i condotti che lambiscono le pareti surriscaldate e un radiatore che
permette di raffreddare l’acqua a cui è stato ceduto il calore derivante
dalla combustione.
Parlando in termini scientifici, il processo attraverso cui l’acqua
assorbe il calore dalle pareti metalliche incandescenti è definito
convenzione; in sostanza è quello che accade quando bagniamo una
pentola bollente con dell’acqua fredda per far diminuire il calore del
metallo.
Il
compito più difficile è svolto dal radiatore, attraverso cui transita il
liquido refrigerante ormai caldo al fine di essere nuovamente
raffreddato e rimesso in circolo. I radiatori sono realizzati in lega di
alluminio sia per la maggiore leggerezza, sia perché questo materiale
presenta un’elevata conduttività termica. In sostanza gli stretti
condotti del radiatore, attraverso cui l’acqua viene incanalata, sono
costantemente raffreddati dall’aria (durante il movimento del veicolo)
oppure dalla ventola; in essi il liquido refrigerante cede rapidamente
il calore accumulato ed è pronto per essere rimesso nel circuito.
A
questo punto potrebbe sembrare davvero un gioco da ragazzi garantire il
perfetto equilibrio termico del motore, ma così non è… I progettisti,
infatti, devono tenere conto del fatto che la temperatura delle
superfici interne delle pareti metalliche è molto più elevata di quella
delle pareti esterne, le uniche lambite dal liquido refrigerante. Di
conseguenza diventa necessario utilizzare materiali ad elevata
conduttività termica così da facilitare lo smaltimento del calore, ma
dotati anche di elevata resistenza meccanica per realizzare componenti
affidabili. Proprio per questa ragione (e non solo per ridurne il peso,
come alcuni credono!) le teste dei motori sono ormai tutte in alluminio,
e non più in ghisa. 
L’asportazione di calore, inoltre, deve essere vigorosa ma non
eccessiva: il motore è realizzato per funzionare efficacemente ad una
determinata temperatura, detta “di regime”, alla quale risultano
ottimizzati i giochi, gli organi meccanici non sono eccessivamente
stressati, le perdite meccaniche sono ridotte e l’olio presenta la
giusta viscosità.
Un
altro parametro a cui gli ingegneri devono prestare molta attenzione in
fase di progetto è quello della uniformità della distribuzione delle
temperature in seno ai componenti stessi. In altre parole, non basta
raffreddare, bisogna accertarsi che l’abbassamento della temperatura
coinvolga in maniera omogenea tutti i componenti interessati dal
riscaldamento, in modo da evitare che alcuni di essi si dilatino in
maniera minore di altri. Qualora ciò avvenisse nascerebbero
notevolissime tensioni all’interno delle pareti metalliche.
Infine va ricordato che alcuni componenti non possono essere lambiti
direttamente dal liquido refrigerante. In questo caso tale funzione è
svolta dallo stesso olio lubrificante, inserito in misura ben maggiore
di quanto sarebbe necessario. Nei moderni motori turbodiesel,
caratterizzati da incredibili temperature di funzionamento, addirittura
si impiegano pistoni raffreddati mediante circolazione d’olio in una
canalizzazione praticata in prossimità delle cave per i segmenti.
A voi la scelta…
Roberto Maurelli |
