Радиа́тор охлажде́ния (от — излучать) — теплообменный аппарат, предназначенный для отвода тепла от охлаждаемой среды (жидкости или газа) в окружающую среду. Работа радиатора основана на принципах теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Наибольшее распространение радиаторы получили в двигателях внутреннего сгорания (автомобильных, авиационных, судовых), а также в электронике и энергетике.
Физические принципы Радиатор охлаждения действует как теплообменник: теплоноситель (как правило, жидкость — вода, антифриз, масло) с высокой температурой поступает во внутренние каналы радиатора. Через стенки каналов (трубок, пластин) тепло передаётся к оребрённой поверхности, которую обдувает поток воздуха. Передача тепла происходит за счёт одновременного действия трёх механизмов: Теплопроводность — передача тепла через металлические стенки трубок и рёбер; Конвекция — отвод тепла движущимся воздухом (естественная или вынужденная вентилятором); Тепловое излучение — излучение тепла с поверхности радиатора в окружающее пространство.
Эффективность радиатора тем выше, чем больше площадь его теплообменной поверхности и чем выше скорость обдувающего потока воздуха.
История автомобильного жидкостного радиатора Ранние системы охлаждения Первые двигатели внутреннего сгорания использовали простейшую испарительную систему: вода окружала стенки и головку цилиндров, закипала и испарялась, унося излишки тепла, фактически работая как чайник. Такая конструкция была крайне неэффективной и демонстрировала бесперспективность испарительных систем. К примеру, , совершивший в июле 1894 года вместе с композитором «приятную поездку» через живописные места на автомобиле Benz Victoria, первом четырёхколёсном автомобиле в истории, — от Райхенберга в Богемии через Мангейм до Реймса и обратно, — и описавший часть путешествия от Райхенберга до Гондорфа, констатировал, что за эти 939 км пробега автомобиль израсходовал 140 кг бензина (газолина) и 1500 л воды – соотношение больше, чем 1 к 10. Путешественникам пришлось останавливаться чуть ли не у каждого ручья. В итоге расход воды составил более 150 л на каждые 100 км.
Изобретение сотового радиатора
Революционное решение предложил немецкий инженер Вильгельм Майбах. В 1897 году он запатентовал трубчатый радиатор (патент DRP 104 718), который впервые был применён на автомобиле Daimler Phoenix — первом легковом автомобиле с передним расположением двигателя.
Позднее Майбах создал сотовый радиатор — он подал заявку на патент 20 сентября 1900 года и получил патент за номером DRP 122766 8 августа 1901 года. Новое устройство описывалось как «система охлаждения и конденсации на основе противотока». В отличие от примитивных латунных радиаторов, в которых вода просто испарялась, конструкция Майбаха использовала 8 070 квадратных трубок размером около четверти дюйма с каждой стороны, уложенных наподобие пчелиных сот. Это многократно увеличивало площадь теплообмена, снижало расход воды и позволяло двигателю развивать невиданную ранее мощность.
Впервые сотовый радиатор был установлен на автомобиле Mercedes 35 hp (1900 год). Его 35-сильный четырёхцилиндровый двигатель требовал эффективного охлаждения, и радиатор Майбаха успешно справился с задачей. Вентилятор, принудительно обдувавший радиатор даже на стоянке, также стал новым стандартом в отрасли.
Дальнейшая эволюция
Идея Майбаха быстро завоевала популярность. Уже в 1902 году во время Парижского автосалона СМИ отмечали, что «неизвестный ранее ячеистый радиатор набирает популярность». Вертикальное расположение радиатора стало стандартом на три десятилетия. В 1911 году появилась версия со складчатой передней кромкой, увеличивавшей площадь охлаждения.
В 1931 году Mercedes-Benz 170 получил радиатор, скрытый за декоративной решёткой, что защищало его от грязи и дало дизайнерам новый инструмент для создания фирменного стиля. К концу 1930-х годов радиаторы стали постепенно уходить от вертикального расположения, встраиваясь в общую архитектуру передней части автомобиля.
Совершенствование материалов Первые радиаторы изготовлялись из латуни и меди, что делало их тяжёлыми, но надёжными и легко поддающимися ремонту. В 1970-х годах появились первые паяные алюминиевые радиаторы, которые, однако, неудовлетворительно справлялись с теплоотдачей в городском режиме и были вскоре вытеснены медно-латунными конструкциями. Современные автомобильные радиаторы в подавляющем большинстве изготовляются из алюминиевых сплавов благодаря их лёгкости и дешевизне, хотя латунные изделия по-прежнему ценятся за более длительный срок службы и ремонтопригодность.
Применение в ДВС
В поршневых двигателях радиатор охлаждения обеспечивает поддержание рабочей температуры в строго заданных пределах (обычно 85-105 °C), предотвращая перегрев и заклинивание. Система охлаждения, в которой теплоносителем является жидкость, применяется с самого начала автомобилестроения. Впервые радиатор был установлен на автомобиль Benz Velo, продававшийся с 1886 года, хотя тот использовал примитивную термосифонную систему без принудительной циркуляции.
Термосифон работал за счёт естественной конвекции: горячая вода поднималась в верхний бачок радиатора, охлаждалась там, становилась плотнее и опускалась вниз, возвращаясь в двигатель. С ростом мощности моторов термосифонные системы быстро уступили место решениям с центробежным жидкостным насосом (помпой), который обеспечивает интенсивную циркуляцию жидкости.
Современная автомобильная система охлаждения включает также термостат, водяную помпу, электровентилятор (или вентилятор с вискомуфтой) и расширительный бачок. Последний обеспечивает компенсацию изменения объёма жидкости при нагреве и охлаждении.
Устройство и основные типы Автомобильные Трубчатый радиатор
Тип автомобильного радиатора, разработанный Вильгельмом Майбахом и запатентованный в 1897 году (патент DRP 104 718 от 24 декабря 1897 года), представлял собой важнейший промежуточный шаг между примитивными испарительными системами первых автомобилей и высокоэффективным сотовым радиатором. Трубчатый радиатор впервые обеспечил замкнутую циркуляцию охлаждающей жидкости с принудительным воздушным охлаждением и дебютировал на автомобиле Phoenix — первом легковом автомобиле компании Daimler-Motoren-Gesellschaft с передним расположением четырёхцилиндрового двигателя мощностью 5,8 кВт (8 л. с.) рабочим объёмом 2,1 л..
В основе конструкции лежал плоский металлический бак (сосуд), заполненный водой, которая циркулировала через рубашку двигателя. Сквозь бак было пропущено большое количество тонкостенных латунных трубок, расположенных горизонтально или с небольшим наклоном. Вентилятор, установленный за радиатором, протягивал воздух через внутренние полости трубок. Таким образом, горячая вода омывала трубки снаружи, а охлаждающий воздух проходил внутри них, отбирая тепло через стенки. Майбах описывал своё изобретение как «устройство для охлаждения воды, омывающей цилиндры двигателей внутреннего сгорания, состоящее из плоского сосуда, пронизанного большим количеством трубок, через которые непрерывно проходит поток воздуха, создаваемый подходящим вентиляционным приспособлением, и отнимает тепло у охлаждающей воды».
По сравнению с полностью открытыми испарительными системами, где вода просто выкипала в атмосферу, трубчатый радиатор позволил организовать замкнутый циркуляционный контур и существенно снизить расход воды. Однако его эффективность была ограничена: суммарная площадь поверхности теплообмена оставалась сравнительно небольшой, поскольку количество трубок, которые можно было разместить в баке, было невелико, а их круглая форма не позволяла упаковать их предельно плотно. Как следствие, двигатели с трубчатым радиатором не могли развивать по-настоящему высокую мощность без риска перегрева. Майбаха прододжил совершенствование радиатора по пути увеличения количества трубок, что привело к созданию сотового радиатора в 1900 году.
Сотовый радиатор
Это тип автомобильного радиатора, в котором сердцевина выполнена в виде множества плотно уложенных тонкостенных трубок, просвет которых спереди напоминает пчелиные соты. Разработан также Вильгельмом Майбахом как прямое развитие его же трубчатого радиатора и запатентован 20 сентября 1900 года (патент DRP 122 766 от 8 августа 1901 г.). Сотовый радиатор стал ключевым элементом первого современного автомобиля Mercedes 35 hp и на десятилетия определил направление развития систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Ключевым нововведением, отличавшим сотовый радиатор от предшествовавшего ему трубчатого, стала геометрия охлаждающих каналов. Вместо круглых трубок Майбах применил квадратные, сечением шесть на шесть миллиметров. При равном проходном сечении для воды квадратная трубка обладает заметно большей внутренней поверхностью, что усиливает передачу тепла от жидкости к металлической стенке; кроме того, квадратное сечение позволило уложить трубки гораздо плотнее, сведя к минимуму зазоры между ними. Сердцевина радиатора, набранная из 8070 таких трубок и напоминавшая пчелиные соты, работала по принципу перекрёстного тока: горячая вода двигалась по трубкам преимущественно вертикально, а встречный воздух проходил сквозь решётку горизонтально. Плотная упаковка и малые промежутки между трубками обеспечивали чрезвычайно эффективный обдув всей поверхности, благодаря чему тепло отводилось намного интенсивнее.
Впервые сотовый радиатор был установлен на Mercedes 35 hp — машину, которую принято считать первым в истории современным автомобилем. Низкий капот, длинная колёсная база и выставленный напоказ вертикальный радиатор стали образцом для всей отрасли. Конкуренты быстро переняли новинку: уже в 1902 году газета «Allgemeine Automobil-Zeitung» (№ 51-52/1902) описывая модель Mercedes Simplex на Парижском автосалоне отмечала, что «сотовый радиатор, который в известной степени влияет и на линии автомобиля, на прошлом Парижском салоне был практически неизвестен, а теперь стал обязательным для большинства французских конструкторов».
Рост эффективности радиатора был подтверждён прямым сравнением. «Безлошадный экипаж» Phoenix 1898 года с трубчатым радиатором расходовал 18 литров воды на 100 километров при мощности двигателя 8 лошадиных сил, то есть 2,25 литра на каждую лошадиную силу (несмотря на наличие радиатора, система была не герметична и, соответственно, не под давлением, то есть вода могла кипеть и утечка воды была). Новый же Mercedes 35 hp 1900 года, оснащённый сотовым радиатором, при мощности 35 лошадиных сил потреблял всего 9 литров на 100 километров — общий расход сократился вдвое, а удельный, в пересчёте на одну лошадиную силу, упал почти в девять раз, до 0,26 литра. Это позволило значительно увеличить мощность двигателя, не опасаясь перегрева и не возя с собой чрезмерный запас воды.
В дальнейшем появился упрощённый вариант сотовой конструкции. В нём применялись короткие круглые трубки, концы которых развальцовывались в правильный шестиугольник. При сборке радиатора трубки укладывались вплотную друг к другу, соприкасаясь именно этими шестигранными законцовками, которые затем пропаивались. В средней же части трубки сохраняли круглое сечение, благодаря чему между ними образовывались узкие проходы для охлаждающей жидкости. Воздух по‑прежнему проходил поперёк радиатора — сквозь открытые внутренние полости трубок. Такая конструкция сочетала технологичность круглых трубок с возможностью плотной «сотовой» упаковки.