Modeling of Pressure Drop Due to 90o Bends in Positive Dilute Phase Pneumatic Teff Grain Conveyor

बल्क सामग्री (bulk materials) को स्थानांतरित करने की दुनिया में, कोई पदार्थ पाइप के माध्यम से कैसे यात्रा करता है, यह अक्सर उस हवा द्वारा निर्धारित होता है जो उसे धकेलती है। इस पद्धति को न्यूमेटिक कन्वेइंग (pneumatic conveying) के रूप में जाना जाता है, जो अनाज, रेत या प्लास्टिक पेलेट्स जैसे सूखे, दानेदार सामानों को ले जाने के लिए एक मानक औद्योगिक अभ्यास है। मैकेनिकल बेल्ट या स्क्रू का उपयोग करने के बजाय, ये सिस्टम कणों को एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाने के लिए हवा की एक धारा पर निर्भर करते हैं। ऐसे सिस्टम की दक्षता इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि हवा को चलाने और कणों को निलंबित रखने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। जैसे-जैसे हवा और अनाज यात्रा करते हैं, वे प्रतिरोध का सामना करते हैं, जो दबाव में गिरावट के रूप में प्रकट होता है। यह दबाव की हानि परिचालन की प्राथमिक लागत है; दबाव जितना अधिक कम होगा, ब्लोअर को उतना ही शक्तिशाली होने की आवश्यकता होगी, और सिस्टम उतनी ही अधिक बिजली की खपत करेगा। जबकि पाइप के सीधे हिस्से एक अनुमानित मात्रा में प्रतिरोध पैदा करते हैं, जहाँ पाइप मुड़ते हैं वे स्थान विशेष रूप से जटिल होते हैं। जब प्रवाह मोड़ पर पहुँचता है, तो कण बाहरी दीवार से टकराते हैं, और हवा घूमती है, जिससे प्रतिरोध में अचानक उछाल आता है जिसे इंजीनियरों को एक ऐसा सिस्टम डिजाइन करने के लिए ध्यान में रखना पड़ता है जो ऊर्जा बर्बाद किए बिना काम करे।

इस शोध का केंद्र एक विशिष्ट अनाज है जो इथियोपिया में लाखों लोगों के आहार का केंद्र है: टेफ (teff)। यह छोटा, पोषक तत्वों से भरपूर अनाज अपने छोटे आकार और इसके चलने के व्यवहार के कारण संभालने में विशेष रूप से कठिन है। जबकि न्यूमेटिक सिस्टम महीन, सूखे पदार्थों को ले जाने के लिए उत्कृष्ट हैं, टेफ की अनूठी विशेषताओं का अर्थ है कि अन्य अनाजों के लिए मानक नियम पूरी तरह से लागू नहीं हो सकते हैं। डिला यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए इस अध्ययन का उद्देश्य यह समझना था कि जब टेफ अनाज को पाइप के 90-डिग्री मोड़ से गुजारा जाता है, तो दबाव की कितनी हानि होती है। शोधकर्ता विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि क्या मोड़ की दिशा मायने रखती है। एक वास्तविक कारखाने में, पाइप ऊपर, नीचे या बगल की ओर मुड़ सकते हैं, और इंजीनियर अक्सर चिंता करते हैं कि एक ऊर्ध्वाधर (vertical) मोड़ क्षैतिज (horizontal) मोड़ की तुलना में सिस्टम पर अधिक कठिन हो सकता है। उत्तर खोजने के लिए, टीम ने विभिन्न स्थितियों में अनाज को क्रिया में देखने के लिए एक भौतिक परीक्षण रिग और एक वर्चुअल कंप्यूटर मॉडल बनाया।

भौतिक प्रयोगों में एक लूप पाइप शामिल था जिसमें एक छोर पर ब्लोर और दूसरे छोर पर एक संग्रह प्रणाली थी। शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग पाइप आकारों का परीक्षण किया, एक जिसका व्यास 46 मिलीमीटर था और दूसरा 71 मिलीमीटर, यह देखने के लिए कि क्या ट्यूब का आकार परिणाम को बदल देता है। उन्होंने इन पाइपों के माध्यम से 12 मीटर प्रति सेकंड से लेकर 28 मीटर प्रति सेकंड की विभिन्न गति से हवा को प्रवाहित किया, और साथ ही हवा की धारा में टेफ अनाज की विभिन्न मात्रा डाली। उन्होंने पांच अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया जिनसे पाइप मुड़ सकता था: एक क्षैतिज-से-क्षैतिज मोड़, एक क्षैतिज-से-ऊर्ध्वाधर ऊपर की ओर मोड़, एक क्षैतिज-से-ऊर्ध्वाधर नीचे की ओर मोड़, और ऊर्ध्वाधर-से-क्षैतिज मोड़ों के दो रूपांतरण। सटीक डिजिटल उपकरणों का उपयोग करते हुए, उन्होंने मोड़ में प्रवेश करने वाली हवा और बाहर निकलने वाली हवा के बीच दबाव के अंतर को मापा। यह दबाव का अंतर सीधे तौर पर उस ऊर्जा की माप है जो सिस्टम ने केवल अनाज को कोने से घुमाने के लिए खो दी थी।

भौतिक परीक्षणों के पूरक के रूप में, शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत तीन-आयामी कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। इस वर्चुअल मॉडल ने 'डिस्क्रीट फेज मॉडल' (discrete phase model) नामक विधि का उपयोग किया, जो हवा को एक निरंतर तरल (continuous fluid) के रूप में मानता है जबकि व्यक्तिगत टेफ कणों के पथ को ट्रैक करता है जैसे कि वे इसके माध्यम से चलते हैं। इस दृष्टिकोण ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि कण दीवारों से कैसे टकराते हैं और मोड़ के अंदर हवा कैसे घूमती है। उन्होंने इन सिमुलेशन को लैब में उपयोग किए गए समान पाइप आकारों, वायु की गति और अनाज की मात्रा के साथ चलाया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या कंप्यूटर वास्तविक दुनिया के दबाव के नुकसान की सटीक भविष्यवाणी कर सकता है ताकि भविष्य में महंगे भौतिक परीक्षण की आवश्यकता को कम या समाप्त किया जा सके। उन्होंने एक सरल गणितीय उपकरण भी विकसित किया, जिसे 'स्केल-अप मॉडल' (scale-up model) कहा जाता है, जो बुनियादी इंजीनियरिंग सूत्रों का उपयोग करता है ताकि हवा की गति और अनाज के वजन के आधार पर दबाव हानि का अनुमान लगाया जा सके, यह एक ऐसी विधि है जिसका उपयोग अक्सर त्वरित गणनाओं की आवश्यकता होने पर किया जाता है।

भौतिक प्रयोगों के परिणामों ने एक आश्चर्यजनक और व्यावहारिक निष्कर्ष निकाला: मोड़ की दिशा मायने नहीं रखती थी। चाहे पाइप ऊपर की ओर मुड़ा हो, नीचे की ओर या बगल की ओर, दबाव की हानि सांख्यिकीय रूप से समान थी। डेटा ने दिखाया कि 90-डिग्री के मोड़ की दिशा का इस बात पर कोई महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं पड़ा कि टेफ अनाज को उसके माध्यम से ले जाने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता थी। यह सुझाव देता है कि जो इंजीनियर इन सिस्टमों को डिजाइन करते हैं, उन्हें ऊर्जा लागत को कम करने के लिए मोड़ की विशिष्ट व्यवस्था की चिंता करने की आवश्यकता नहीं है; ऊपर जाने वाला मोड़ ऊपर जाने वाले मोड़ के समान ही लागत लेता है। अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि जैसे-जैसे हवा तेज चलती है या पाइप में अधिक अनाज डाला जाता है, दबाव की हानि बढ़ जाती है, जो कि एक अपेक्षित व्यवहार है, लेकिन मोड़ का आकार स्वयं वह चर (variable) नहीं था जिसने परिणाम को बदला।

जब शोधकर्ताओं ने अपने कंप्यूटर सिमुलेशन की भौतिक माप के साथ तुलना की, तो वर्चुअल मॉडल अत्यधिक विश्वसनीय साबित हुआ। कंप्यूटर की भविष्यवाणियां वास्तविक दुनिया के डेटा के साथ अत्यधिक उच्च स्तर की सटीकता के साथ मेल खाती हैं, जो लगभग पूर्ण सहसंबंध (correlation) के साथ प्रवाह की बारीकियों को पकड़ लेती हैं। इसके विपरीत, सरल स्केल-अप मॉडल, हालांकि गणितीय रूप से सुसंगत था, दबाव की हानि का अधिक अनुमान लगाने की प्रवृत्ति रखता था। इसने भविष्यवाणी की कि सिस्टम को वास्तव में आवश्यक ऊर्जा से अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी। यह इंगित करता है कि जबकि सरल सूत्र एक मोटा विचार दे सकते हैं, अधिक जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन पाइप के अंदर क्या हो रहा है उसकी कहीं अधिक सच्ची तस्वीर प्रदान करता है। अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि टेफ अनाज के लिए, मोड़ में ऊर्जा हानि की भविष्यवाणी करने का सबसे कुशल तरीका विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करना है, और डिजाइनर पाइपलाइन लेआउट की योजना बनाते समय मोड़ की विशिष्ट दिशा को सुरक्षित रूप से अनदेखा कर सकते हैं। यह स्पष्टता इस महत्वपूर्ण फसल के प्रसंस्करण के लिए अधिक ऊर्जा-कुशल सिस्टम बनाने में मदद करती है, यह सुनिश्चित करती है कि अनाज अनावश्यक बर्बादी के बिना खेत से मिल तक सुचारू रूप से चलता रहे।