Оскільки тепловий ККД двигунів внутрішнього згоряння зростає з внутрішньою температурою, охолоджуючу рідину підтримують під тиском, вищим за атмосферний, щоб підвищити її температуру кипіння. Відкалібрований клапан скидання тиску зазвичай вбудований у заливну кришку радіатора. Цей тиск залежить від моделі, але зазвичай коливається від 4 до 30 psi (30 до 200 кПа).[4]
Коли тиск в системі охолоджуючої рідини збільшується разом із підвищенням температури, він досягне точки, коли запобіжний клапан дозволяє вийти надлишковому тиску. Це припиниться, коли температура системи перестане зростати. У разі переповненого радіатора (або напірного бачка) тиск скидається шляхом витоку невеликої кількості рідини. Це може просто стікати на землю або збиратися у вентильований контейнер, який залишається під атмосферним тиском. При вимкненому двигуні система охолодження охолоджується і рівень рідини падає. У деяких випадках, коли надлишок рідини було зібрано в пляшку, він може бути «всмоктаний» назад в основний контур охолоджуючої рідини. В інших випадках це не так.
До Другої світової війни охолоджуючою рідиною двигуна зазвичай була звичайна вода. Антифриз використовувався виключно для контролю замерзання, і це часто робилося лише в холодну погоду. Якщо просту воду залишити замерзати в блоці двигуна, вода може розширюватися під час замерзання. Цей ефект може спричинити серйозні внутрішні пошкодження двигуна через розширення льоду.
Розробка високопродуктивних авіаційних двигунів вимагала покращених охолоджувачів з вищими температурами кипіння, що призвело до використання гліколю або водно-гліколевих сумішей. Це призвело до прийняття гліколів через їхні антифризні властивості.
З моменту розробки двигунів з алюмінію або змішаних металів захист від корозії став навіть важливішим, ніж антифриз, і в усіх регіонах і в усі пори року.
Висохлий переповнений бак може призвести до випаровування охолоджуючої рідини, що може спричинити локальний або загальний перегрів двигуна. Якщо транспортний засіб перегріється, це може призвести до серйозних пошкоджень. Результатом можуть бути такі несправності, як здуття прокладок головки, деформація або тріщини головок циліндрів або блоків циліндрів. Іноді попередження не буде, оскільки датчик температури, який надає дані для датчика температури (механічного чи електричного), піддається дії водяної пари, а не рідкого охолоджувача, що забезпечує небезпечні помилкові показання.
Відкривання гарячого радіатора знижує тиск у системі, що може призвести до кипіння та викиду небезпечно гарячої рідини та пари. Тому кришки радіатора часто містять механізм, який намагається скинути внутрішній тиск до того, як кришку можна повністю відкрити.
Винахід автомобільного водяного радіатора приписують Карлу Бенцу. Вільгельм Майбах розробив перший стільниковий радіатор для Mercedes 35hp
Іноді для збільшення потужності охолодження автомобіль необхідно оснастити другим або допоміжним радіатором, коли розмір оригінального радіатора не можна збільшити. Другий радіатор підключається послідовно до основного радіатора в контурі. Так було, коли Audi 100 вперше був оснащений турбонаддувом для створення 200. Їх не слід плутати з інтеркулерами.
Деякі двигуни мають масляний радіатор, окремий невеликий радіатор для охолодження моторного масла. Автомобілі з автоматичною коробкою передач часто мають додаткові з’єднання з радіатором, що дозволяє трансмісійній рідині передавати своє тепло охолоджувальній рідині в радіаторі. Це можуть бути масляно-повітряні радіатори, як для меншої версії основного радіатора. Простіше кажучи, це можуть бути масляно-водяні охолоджувачі, де масляна труба вставляється всередину водяного радіатора. Незважаючи на те, що вода гарячіша за навколишнє повітря, її вища теплопровідність забезпечує порівняне охолодження (в певних межах) від менш складного й, отже, дешевшого й надійнішого [потрібне цитування] масляного радіатора. Рідше рідина гідропідсилювача керма, гальмівна рідина та інші гідравлічні рідини можуть охолоджуватися допоміжним радіатором автомобіля.
Двигуни з турбонаддувом або наддувом можуть мати проміжний охолоджувач, який є повітряно-повітряним або повітряно-водяним радіатором, який використовується для охолодження повітря, що надходить, а не для охолодження двигуна.
Літаки з поршневими двигунами з рідинним охолодженням (зазвичай це рядні двигуни, а не радіальні) також потребують радіаторів. Оскільки швидкість повітря вища, ніж у автомобілів, вони ефективно охолоджуються під час польоту, тому не потребують великих площ чи вентиляторів. Однак багато високопродуктивних літаків страждають від надзвичайних проблем з перегрівом, коли простоюють на землі - лише сім хвилин для Spitfire.[6] Це схоже на сучасні боліди Формули-1, коли вони зупиняються на стартовій решітці із запущеними двигунами, їм потрібне повітропровід, що надходить у корпус радіатора, щоб запобігти перегріву.
Зменшення опору є головною метою проектування літаків, включаючи проектування систем охолодження. Ранній метод полягав у використанні великого повітряного потоку літака для заміни стільникового ядра (багато поверхонь, з високим співвідношенням поверхні до об’єму) радіатором, встановленим на поверхні. Для цього використовується одна поверхня, змішана з фюзеляжем або обшивкою крила, при цьому охолоджуюча рідина тече через труби в задній частині цієї поверхні. Такі конструкції були в основному на літаках Першої світової війни.
Оскільки вони настільки залежні від швидкості повітря, поверхневі радіатори навіть більше схильні до перегріву під час руху на землі. Гоночні літаки, такі як Supermarine S.6B, гоночний гідролітак з радіаторами, вбудованими у верхні поверхні його поплавців, були описані як "літаючі по температурному датчику" як головне обмеження їх продуктивності.[7]
Поверхневі радіатори також використовувалися кількома швидкісними гоночними автомобілями, такими як Blue Bird Малкольма Кемпбелла 1928 року.
Загалом, обмеженням більшості систем охолодження є те, що охолоджуюча рідина не може кипіти, оскільки необхідність роботи з газом у потоці значно ускладнює конструкцію. Для системи з водяним охолодженням це означає, що максимальна кількість теплопередачі обмежена питомою теплоємністю води та різницею температур навколишнього середовища та 100 °C. Це забезпечує більш ефективне охолодження взимку або на великих висотах, де температура низька.
Інший ефект, особливо важливий при охолодженні літака, полягає в тому, що питома теплоємність змінюється, а температура кипіння знижується з тиском, і цей тиск змінюється швидше з висотою, ніж падіння температури. Таким чином, як правило, системи рідинного охолодження втрачають потужність у міру набору висоти літака. Це було основним обмеженням продуктивності в 1930-х роках, коли впровадження турбонаддувів уперше дозволило зручно подорожувати на висоті понад 15 000 футів, а конструкція системи охолодження стала основною областю досліджень.
Найбільш очевидним і поширеним рішенням цієї проблеми було запустити всю систему охолодження під тиском. Це підтримувало питому теплоємність на постійному значенні, тоді як температура зовнішнього повітря продовжувала падати. Таким чином, такі системи покращували здатність охолоджувати під час підйому. Для більшості застосувань це вирішило проблему охолодження високопродуктивних поршневих двигунів, і майже всі авіаційні двигуни з рідинним охолодженням періоду Другої світової війни використовували це рішення.
Однак системи під тиском також були складнішими та набагато більш сприйнятливими до пошкоджень — оскільки охолоджуюча рідина перебувала під тиском, навіть незначне пошкодження системи охолодження, як-от єдина пробоїна від кулі гвинтівкового калібру, спричинила б швидке розбризкування рідини з отвір. Поломки систем охолодження були, безумовно, основною причиною поломок двигунів.
Хоча складніше побудувати літаковий радіатор, здатний працювати з парою, це в жодному разі неможливо. Ключова вимога полягає в тому, щоб забезпечити систему, яка конденсує пару назад у рідину перед її подачею назад у насоси та завершення циклу охолодження. Така система може використовувати переваги питомої теплоти випаровування, яка у випадку води в п’ять разів перевищує питому теплоємність у рідкій формі. Можна отримати додаткові переваги, якщо дозволити парі перегрітися. Такі системи, відомі як випарні охолоджувачі, були предметом значних досліджень у 1930-х роках.
Розглянемо дві схожі системи охолодження, що працюють при температурі навколишнього повітря 20 °C. Повністю рідинна конструкція може працювати від 30 °C до 90 °C, пропонуючи різницю температур 60 °C для відведення тепла. Випарна система охолодження може працювати при температурі від 80 °C до 110 °C. На перший погляд це здається набагато меншою різницею температур, але цей аналіз не враховує величезну кількість теплової енергії, яка поглинається під час утворення пари, еквівалентну 500 °C. По суті, випарна версія працює від 80 °C до 560 °C, ефективна різниця температур становить 480 °C. Така система може бути ефективною навіть із значно меншою кількістю води.
Недоліком випарної системи охолодження є площа конденсаторів, необхідна для охолодження пари нижче точки кипіння. Оскільки пара має меншу щільність, ніж вода, потрібна відповідно більша площа поверхні, щоб забезпечити достатній потік повітря для охолодження пари. У конструкції Rolls-Royce Goshawk 1933 року використовувалися звичайні радіаторні конденсатори, і ця конструкція виявилася серйозною проблемою для опору. У Німеччині брати Гюнтер розробили альтернативну конструкцію, яка поєднує випарне охолодження та поверхневі радіатори, розташовані по всьому крилу, фюзеляжу та навіть керму літака. Кілька літаків було побудовано з використанням їхньої конструкції та встановило численні рекорди продуктивності, зокрема Heinkel He 119 і Heinkel He 100. Однак ці системи потребували численних насосів для повернення рідини з розкладених радіаторів, і виявилося, що їм надзвичайно важко підтримувати правильну роботу. , і були набагато більш сприйнятливими до бойових пошкоджень. До 1940 року спроби розробити цю систему були загалом припинені. Потреба у випарному охолодженні незабаром була зведена нанівець широкою доступністю охолоджувачів на основі етиленгліколю, які мали нижчу питому теплоємність, але набагато вищу температуру кипіння, ніж вода.
Радіатор літака, який міститься в повітропроводі, нагріває повітря, що проходить, змушуючи повітря розширюватися та набирати швидкість. Це називається ефектом Мередіта, і високоефективні поршневі літаки з добре сконструйованими радіаторами з низьким опором (зокрема P-51 Mustang) отримують тягу від нього. Тяга була достатньо значною, щоб компенсувати опір каналу, в якому був закритий радіатор, і дозволив літаку досягти нульового опору охолодження. У якийсь момент навіть існували плани оснастити Supermarine Spitfire камерою форсажу, вприснувши паливо у вихлопну трубу після радіатора та запаливши його [потрібне цитування]. Допалювання досягається впорскуванням додаткового палива в двигун після основного циклу згоряння.
