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Improving the Efficiency of Pumping Equipment by Enhancing the Cooling System of a Submersible Pump Motor

Este artículo propone y valida una solución técnica que consiste en una camisa de enfriamiento en los motores de bombas sumergibles para mitigar el sobrecalentamiento en entornos agresivos de ISL, demostrando mediante modelado matemático, simulación CFD y pruebas de laboratorio que el dispositivo aumenta significativamente la velocidad del fluido y reduce las temperaturas superficiales del motor con un costo de capital insignificante.

Autores originales: Oybek Kurbonov, Lazizjon Atakulov, Odil Zokhidov

Publicado 2026-10-23

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CC BY 4.0

Autores originales: Oybek Kurbonov, Lazizjon Atakulov, Odil Zokhidov

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En lo profundo del subsuelo, en los paisajes áridos de la región de Kyzylkum en Uzbekistán, se libra una batalla silenciosa pero crítica contra el calor. En la industria minera, se utiliza una técnica llamada lixiviación in situ para extraer minerales valiosos de la tierra. Este proceso consiste en bombear grandes cantidades de líquido a través del suelo para disolver y elevar estos minerales hacia la superficie. Las herramientas de trabajo de esta operación son las bombas sumergibles, máquinas masivas que se asientan en lo profundo de los pozos, sumergidas en el mismo fluido que intentan mover. Estas bombas dependen de motores eléctricos para accionar sus impulsores, pero a diferencia de los motores de un coche o de un ventilador de fábrica, estas unidades submarinas no tienen aire para refrigerarse. Dependen enteramente del líquido que fluye alrededor de su piel exterior para evacuar el calor generado por la electricidad. Cuando ese flujo es demasiado lento, o cuando una capa de incrustaciones minerales se acumula sobre el motor como un grueso revestimiento aislante, el motor comienza a cocinarse a sí mismo. Este sobrecalentamiento daña el delicado aislamiento eléctrico, lo que provoca fallos prematuros, reparaciones costosas y largos periodos de inactividad en ubicaciones remotas donde el mantenimiento es difícil.

Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Minería y Tecnología de Navoi se propuso resolver este problema con una solución mecánica simple pero eficaz. Se centraron en dos modelos específicos de bombas ampliamente utilizados en la región, el USK 408/42 y el URN 6 25/14, que operan en pozos de diferentes tamaños. El núcleo de su solución es una camisa de refrigeración, una manga cilíndrica que se ajusta estrechamente alrededor de la boquilla de succión de la bomba. Imagine esta camisa como un embudo que obliga al líquido a pasar por un estrecho espacio entre la manga y el motor, en lugar de dejar que fluya perezosamente por el amplio espacio del pozo. Al estrechar el paso, la camisa acelera el fluido, convirtiendo una deriva lenta e ineficaz para la refrigeración en una corriente rápida y eficaz para la refrigeración que arrastra el calor lejos de la superficie del motor.

Los investigadores comenzaron construyendo un modelo matemático para predecir cómo este cambio en el flujo afectaría la temperatura del motor. Calcularon que, sin la camisa, el fluido que se movía alrededor del motor en un pozo típico viajaba a una velocidad de aproximadamente 0,17 metros por segundo, lo cual es demasiado lento para evitar una acumulación de calor peligrosa. Con la instalación de la camisa, descubrieron que la velocidad podía aumentarse significamente. Para el modelo de bomba más pequeño, la camisa podía aumentar la velocidad del flujo a 0,69 metros por segundo. Este aumento de velocidad es crucial porque la capacidad del fluido para eliminar el calor crece rápidamente a medida que se mueve más rápido. Sus cálculos mostraron que, para la bomba más pequeña, la instalación de una camisa con un diámetro interior de 113 milímetros reduciría la diferencia de temperatura entre la superficie del motor y el fluido circundante de unos peligrosos 9,4 grados Celsius a unos seguros 2,4 grados Celsius.

Para asegurar que sus matemáticas coincidieran con la realidad, el equipo recurrió a simulaciones por computadora. Crearon modelos 3D detallados de las bombas y realizaron pruebas virtuales para ver cómo se movía realmente el agua. Las simulaciones revelaron una diferencia abismal entre las dos configuraciones. Sin la camisa, el agua tendía a esquivar el motor por completo, fluyendo a través del amplio espacio abierto del pozo y dejando la superficie del motor en una zona de fluido estancada y caliente. Con la camisa, el agua se ve obligada a abrazar el motor, creando un flujo uniforme y de alta velocidad a lo largo de toda su longitud. Los resultados de la computadora confirmaron que la camisa podría reducir la temperatura superficial promedio del motor en 12,6 grados Celsius y reducir el punto más caliente dentro del motor en 16,5 grados Celsius. Aunque el modelo matemático predijo una mejora ligeramente menor, la simulación demostró que la camisa cambia fundamentalmente la forma en que funciona la refrigeración, asegurando que el motor nunca se quede en una zona estancada.

El equipo no se detuvo en la teoría y la simulación; llevaron el concepto al laboratorio para verificar el comportamiento físico. Montaron un banco de pruebas con una bomba real más pequeña y le colocaron camisas de diferentes tamaños. Al hacer circular agua a través del sistema a varias velocidades, midieron directamente la temperatura de la superficie del motor. Los experimentos confirmaron la tendencia predicha por los cálculos: a medida que el diámetro de la camisa disminuía y la velocidad del agua aumentaba, el motor se mantenía más frío. En una prueba, lograron reducir el sobrecalentamiento del motor de 14,2 grados Celsius a solo 0,5 grados Celsius utilizando la camisa más pequeña con la tasa de flujo más alta. Aunque el flujo en el laboratorio era más lento de lo que ocurre en los pozos industriales profundos, los resultados demostraron claramente que la camisa funciona según lo previsto, obligando al fluido a realizar el trabajo de refrigeración para el que fue diseñado.

El caso económico de esta solución es convincente. Los investigadores estimaron que el coste total de fabricación, entrega e instalación de una camisa de refrigeración para una sola bomba es de unos 37 dólares estadounidenses. Esta es una cantidad insignificante comparada con el coste de rebobinar un motor quemado o reemplazar una unidad de bomba completa, especialmente en operaciones mineras remotas donde la inactividad no programada puede interrumpir todo el proceso de producción. Al mantener el motor más frío, la camisa prolonga la vida útil del aislamiento eléctrico, el cual se degrada el doble de rápido por cada 10 grados Celsius de aumento de temperatura. Aunque el estudio no cuantificó los ahorros energéticos exactos, el beneficio principal es la fiabilidad. La camisa asegura que la bomba pueda funcionar continuamente sin el riesgo de sobrecalentamiento, convirtiendo un punto potencial de fallo en un componente robusto y duradero de la infraestructura minera. Los investigadores concluyeron que esta simple manga es una solución de ingeniería altamente eficaz, que proporciona una forma física clara de gestionar el calor en un entorno donde la refrigeración es, de otro modo, imposible.

Resumen Técnico: Mejora de la Eficiencia de los Equipos de Bombeo mediante la Mejora del Sistema de Enfriamiento de un Motor de Bomba Sumergible

Planteamiento del Problema
Las unidades de bombeo sumergibles utilizadas en la tecnología de lixiviación in situ (ISL) de la región de Kyzylkum enfrentan problemas significativos de fiabilidad debido al sobrecalentamiento del motor eléctrico. Este sobrecalentamiento es causado principalmente por una velocidad de flujo de fluido insuficiente alrededor del motor (cayendo por debajo del umbral crítico de 0,2 m/s), la acumulación de depósitos minerales (hierro, manganeso, calcio) sobre la carcasa del motor que actúan como aislantes térmicos, y la operación continua en entornos agresivos. Estas condiciones aceleran la degradación del aislamiento de los devanados, aumentan la demanda de corriente y conducen a fallos prematuros del equipo. Dado que las bombas de ISL operan casi continuamente (aprox. 8.760 horas/año), incluso las interrupciones cortas interrumpen los procesos hidrometalúrgicos e incurren en altos costos de reparación. Además, el sobrecalentamiento aumenta la resistencia eléctrica, elevando así el consumo de energía.

Metodología
Los autores proponen una solución técnica que consiste en la instalación de una camisa de enfriamiento cilíndrica en la boquilla de succión de la bomba sumergible. Esta camisa restringe la sección transversal del canal anular alrededor del motor, forzando al fluido de trabajo a fluir longitudinalmente a lo largo de la superficie del motor a velocidades más altas.

El estudio emplea un enfoque multifacético para validar esta solución:

Modelado Matemático: Se desarrolló un modelo de transferencia de calor basado en la teoría de la convección forzada. Utiliza la ecuación de continuidad para determinar la velocidad del flujo ( $V$ ) en el espacio anular y la ecuación de Dittus–Boelter para el flujo turbulento para calcular el número de Nusselt y el coeficiente de transferencia de calor ( $\alpha$ ). El resultado central es una relación analítica que muestra que el sobrecalentamiento del motor ( $\Delta T$ ) es inversamente proporcional a la velocidad del flujo elevada a la potencia de 0,8 ( $\Delta T \propto V^{-0,8}$ ).
Cálculos Paramétricos: El modelo se aplicó a dos configuraciones de bombas específicas comunes en la región: la USK 408/42 (en un pozo de 159 mm) y la URN 6 25/14 (en un pozo de 195 mm). Los cálculos determinaron los diámetros internos óptimos de la camisa para mantener las velocidades de flujo por encima del umbral crítico de 0,2 m/s, con un objetivo de $\ge$ 0,5 m/s.
Simulación CFD: Se realizaron simulaciones de transferencia de calor conjugada utilizando SolidWorks Flow Simulation. Estos modelos compararon los campos de flujo y las distribaciones de temperatura para bombas con y sin camisas de enfriamiento, utilizando un modelo de turbulencia $k-\epsilon$ y una malla refinada para resolver los estrechos espacios anulares.
Verificación de Laboratorio: Se realizaron pruebas experimentales en un banco de pruebas actualizado (SGU-TsNS-012-6LR-PK) utilizando una bomba sumergible Chimp QDX3-20-0.55(Y). Las pruebas variaron los diámetros de la camisa (220–240 mm) y los caudales (2–3 m³/h) para medir los cambios en la temperatura de la superficie del motor.

Contribuciones Clave y Resultados

Dimensiones Óptimas de la Camisa: Los cálculos paramétricos identificaron que para la bomba USK 408/42 se requiere un diámetro interno de la camisa de aproximadamente 113–120 mm para lograr velocidades de flujo de $\ge$ 0,5 m/s. Sin la camisa, la velocidad del flujo en el espacio anular del pozo cae a niveles subcríticos (aprox. 0,17 m/s).
Desempeño Térmico:
- Modelo Analítico: Para la bomba USK 408/42 a una temperatura de fluido de 40 °C, el modelo predice que la instalación de una camisa de 113 mm reduce el sobrecalentamiento de la superficie del motor de 9,4 °C (sin camisa) a 2,4 °C.
- Simulación CFD: La simulación reveló que sin una camisa, el flujo es cuasi-estancado alrededor del motor, mientras que la camisa asegura un perfil de alta velocidad uniforme. La simulación mostró una reducción de 12,6 °C en la temperatura media de la superficie del motor y una reducción de 16,5 °C en la temperatura máxima interna del motor. Los autores señalan que el modelo analítico proporciona una estimación conservadora en comparación con los resultados de CFD.
- Pruebas de Laboratorio: Los experimentos confirmaron la tendencia cualitativa: reducir el diámetro de la camisa e incrementar el caudal redujo significativamente el sobrecalentamiento del motor. El sobrecalentamiento disminuyó de 14,2 °C (camisa de 240 mm, 2 m³/h) a 0,5 °C (camisa de 220 mm, 3 m³/h). Sin embargo, los autores señalan que estas pruebas se realizaron en regímenes de flujo laminar/transicional, lo que limita su aplicabilidad cuantitativa a las condiciones industriales turbulentas modeladas.
Evaluación Económica: El costo de capital para la camisa de enfriamiento, incluyendo fabricación, instalación y entrega, es de aproximadamente 37 USD por bomba. Esto se describe como insignificante en comparación con los costos asociados con el rebobinado o reemplazo del motor.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la función principal de la camisa de enfriamiento no es simplemente reducir el sobrecalentamiento bajo condiciones de flujo uniforme ideales, sino garantizar el flujo longitudinal a lo largo de la superficie del motor, una condición que a menudo no se cumple en pozos de gran diámetro sin tal dispositivo. Al garantizar este flujo, la camisa:

Previene la formación de zonas de flujo cuasi-estancadas que provocan puntos calientes localizados.
Aumenta el margen térmico del aislamiento del devanado, potencialmente duplicando la vida útil del aislamiento (basado en la ley de Arrhenius, donde una reducción de 10 °C reduce a la mitad la tasa de envejecimiento).
Inhibe la formación de incrustaciones minerales térmicamente aislantes al mantener velocidades de flujo más altas.

Los autores concluyen que, si bien la camisa ofrece una clara solución técnica al sobrecalentamiento del motor con una inversión de capital mínima, el impacto específico en el consumo de energía (debido a la reducción de la resistencia de los devanados) requiere una mayor verificación experimental bajo condiciones reales de campo. El estudio proporciona un marco matemático validado y directrices de ingeniería para la selección de diámetros de camisas de enfriamiento para configuraciones específicas de bomba-pozo en la región de Kyzylkum.

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