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

उज्बेकिस्तान के क्यज़िलकुम क्षेत्र के शुष्क परिदृश्यों में, जमीन के बहुत नीचे, गर्मी के खिलाफ एक शांत लेकिन महत्वपूर्ण लड़ाई लड़ी जा रही है। खनन उद्योग में, इन-सीटू लीचिंग (in-situ leaching) नामक एक तकनीक का उपयोग पृथ्वी से मूल्यवान खनिजों को निकालने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया में इन खनिजों को घोलने और सतह तक ऊपर लाने के लिए जमीन के माध्यम से बड़ी मात्रा में तरल पंप किया जाता है। इस संचालन के कार्यबल 'सबमर्सिबल पंप' (जलमग्न पंप) हैं, जो विशाल मशीनें हैं जो कुओं के भीतर गहराई में स्थित होती हैं, और उसी तरल में डूबी रहती हैं जिसे वे चलाने का प्रयास कर रहे हैं। ये पंप अपने इम्पेलर (impellers) को चलाने के लिए इलेक्ट्रिक मोटरों पर निर्भर करते हैं, लेकिन कार या फैक्ट्री के पंखे के मोटरों के विपरीत, इन पानी के नीचे वाले यूनिट्स में ठंडा होने के लिए हवा नहीं होती है। वे पूरी तरह से मोटर की बाहरी त्वचा से गुजरने वाले तरल के बहाव पर निर्भर करते हैं ताकि बिजली से उत्पन्न होने वाली गर्मी को दूर ले जाया जा सके। जब वह बहाव बहुत धीमा होता है, या जब खनिज की एक परत मोटर पर एक मोटी इंसुलेशन की परत की तरह जम जाती है, तो मोटर खुद को पकाने लगता है। यह अत्यधिक गर्मी अंदर के नाजुक इलेक्ट्रिकल इंसुलेशन को नुकसान पहुँचाती है, जिससे समय से पहले विफलता, महंगी मरम्मत और उन दूरदराज के स्थानों में काम बंद होने की लंबी अवधि का सामना करना पड़ता है जहाँ रखरखाव कठिन होता है।

नवोई स्टेट यूनिवर्सिटी ऑफ माइनिंग एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सरल लेकिन प्रभावी मैकेनिकल समाधान के साथ इस समस्या को हल करने का बीड़ा उठाया। उन्होंने क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले दो विशिष्ट पंप मॉडलों पर ध्यान केंद्रित किया, USK 408/42 और URN 6 25/14, जो अलग-अलग आकार के कुओं में काम करते हैं। उनके समाधान का मूल एक 'कूलिंग जैकेट' (cooling jacket) है, जो एक बेलनाकार आस्तीन (sleeve) है जो पंप के सक्शन नोजल के चारों ओर ठीक से फिट बैठती है। इस जैकेट की कल्पना एक फनल (कीप) के रूप में करें जो तरल को कुएं के चौड़े स्थान के चारों ओर आलस से बहने देने के बजाय, जैकेट और मोटर के बीच एक संकीर्ण अंतराल से गुजरने के लिए मजबूर करता है। रास्ते को संकरा करके, जैकेट तरल की गति को तेज कर देता है, जिससे एक धीमे, शीतलन-अक्षम बहाव को एक तेज, शीतलन-प्रभावी धारा में बदल दिया जाता है जो मोटर की सतह से गर्मी को धोकर बाहर ले जाती है।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले एक गणितीय मॉडल बनाया ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि इस प्रवाह परिवर्तन का मोटर के तापमान पर क्या प्रभाव पड़ेगा। उन्होंने गणना की कि जैकेट के बिना, एक विशिष्ट कुएं में मोटर के चारों ओर बहने वाला तरल लगभग 0.17 मीटर प्रति सेकंड की गति से चल रहा था, जो खतरनाक गर्मी के निर्माण को रोकने के लिए बहुत धीमा है। उन्होंने पाया कि जैकेट स्थापित करने के बाद, प्रवाह की गति में उल्लेखनीय वृद्धि हो सकती है। छोटे पंप मॉडल के लिए, जैकेट प्रवाह की गति को बढ़ाकर 0.69 मीटर प्रति सेकंड कर सकता है। गति में यह वृद्धि महत्वपूर्ण है क्योंकि तरल की गर्मी हटाने की क्षमता उसके तेज चलने के साथ तेजी से बढ़ती है। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि छोटे पंप के लिए, 113 मिलीमीटर के आंतरिक व्यास वाला जैकेट लगाने से मोटर की सतह और आसपास के तरल के बीच का तापमान अंतर जोखिम भरे 9.4 डिग्री सेल्सियस से घटकर सुरक्षित 2.4 डिग्री सेल्सियस हो जाएगा।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका गणित वास्तविकता से मेल खाता है, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने पंपों के विस्तृत 3D मॉडल बनाए और वर्चुअल टेस्ट चलाए ताकि यह देखा जा सके कि पानी वास्तव में कैसे चलता है। सिमुलेशन ने दोनों सेटअपों के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाया। जैकेट के बिना, पानी मोटर को पूरी तरह से बायपास करने की प्रवृत्ति रखता था, कुएं के खुले स्थान से होकर बहता था और मोटर की सतह को तरल के एक लगभग स्थिर, गर्म पॉकेट में छोड़ देता था। जैकेट के साथ, पानी को मोटर के चारों ओर लिपटने के लिए मजबूर किया गया, जिससे इसकी पूरी लंबाई में एक समान, उच्च-गति वाला प्रवाह बना। कंप्यूटर के परिणामों ने पुष्टि की कि जैकेट मोटर के औसत सतही तापमान को 12.6 डिग्री सेल्सियस कम कर सकता है और मोटर के सबसे गर्म हिस्से को 16.5 डिग्री सेल्सियस तक कम कर सकता है। हालांकि गणितीय मॉडल ने थोड़ा कम सुधार का अनुमान लगाया था, लेकिन सिमुलेशन ने साबित कर दिया कि जैकेट मौलिक रूप से इस बात को बदल देता है कि कूलिंग कैसे काम करती है, यह सुनिश्चित करता है कि मोटर कभी भी स्थिर ज़ोन में न रहे।

टीम केवल सिद्धांत और सिमुलेशन तक ही सीमित नहीं रही; उन्होंने भौतिक व्यवहार को सत्यापित करने के लिए इस अवधारणा को प्रयोगशाला में ले गईं। उन्होंने एक छोटे, वास्तविक दुनिया के पंप के साथ एक टेस्ट बेंच तैयार किया और उसमें विभिन्न आकार के जैकेट लगाए। विभिन्न गति पर सिस्टम के माध्यम से पानी चलाकर, उन्होंने सीधे मोटर की सतह के तापमान को मापा। प्रयोगों ने उस प्रवृत्ति की पुष्टि की जिसका अनुमान गणनाओं द्वारा लगाया गया था: जैसे-जैसे जैकेट का व्यास कम हुआ और पानी की गति बढ़ी, मोटर ठंडी होती गई। एक परीक्षण में, उन्होंने सबसे छोटे जैकेट और उच्चतम प्रवाह दर का उपयोग करके मोटर की ओवरहीटिंग को 14.2 डिग्री सेल्सियस से घटाकर मात्र 0.5 डिग्री सेल्सियस तक कम करने में सफलता प्राप्त की। हालांकि लैब में प्रवाह गहरे औद्योगिक कुओं की तुलना में धीमा था, फिर भी परिणामों ने स्पष्ट रूप से प्रदर्शित किया कि जैकेट अपने इच्छित कार्य के अनुसार काम करता है, यानी तरल को शीतलन का कार्य करने के लिए मजबूर करता है।

इस समाधान के लिए आर्थिक मामला भी बहुत मजबूत है। शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि एक अकेले पंप के लिए कूलिंग जैकेट बनाने, पहुंचाने और स्थापित करने की कुल लागत लगभग 37 अमेरिकी डॉलर है। यह एक जले हुए मोटर को दोबारा वाइंड करने या पूरे पंप यूनिट को बदलने की लागत की तुलना में नगण्य है, विशेष रूप से उन दूरदराज के खनन कार्यों में जहाँ अनियोजित डाउनटाइम पूरी उत्पादन प्रक्रिया को बाधित कर सकता है। मोटर को ठंडा रखकर, जैकेट इलेक्ट्रिकल इंसुलेशन के जीवनकाल को बढ़ाता है, जो हर 10 डिग्री सेल्सियस तापमान वृद्धि के लिए दोगुना तेजी से खराब होता है। हालांकि अध्ययन ने सटीक ऊर्जा बचत को संख्यात्मक रूप में नहीं बताया, लेकिन प्राथमिक लाभ विश्वसनीयता है। जैकेट यह सुनिश्चित करता है कि पंप बिना ओवरहीटिंग के जोखिम के लगातार चल सके, जिससे यह एक संभावित विफलता बिंदु से बदलकर खनन बुनियादी ढांचे का एक मजबूत, लंबे समय तक चलने वाला घटक बन जाता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह सरल स्लीव एक अत्यंत प्रभावी इंजीनियरिंग समाधान है, जो एक ऐसे वातावरण में गर्मी को प्रबंधित करने का एक स्पष्ट, भौतिक तरीका प्रदान करता है जहाँ अन्यथा शीतलन असंभव है।