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

Profundamente no subsolo, nas paisagens áridas da região de Kyzylkum, no Uzbequistão, uma batalha silenciosa, mas crítica, é travada contra o calor. Na indústria de mineração, uma técnica chamada lixiviação in situ é utilizada para extrair minerais valiosos da terra. Esse processo envolve o bombeamento de grandes quantidades de líquido através do solo para dissolver e elevar esses minerais à superfície. As ferramentas de trabalho dessa operação são as bombas submersas, máquinas massivas que ficam posicionadas profundamente dentro de poços, submersas no próprio fluido que tentam movimentar. Essas bombas dependem de motores elétricos para acionar seus rotores, mas, ao contrário dos motores de um carro ou de um ventilador de fábrica, essas unidades subaquáticas não possuem ar para resfriá-las. Elas dependem inteiramente do líquido que flui pela sua pele externa para dissipar o calor gerado pela eletricidade. Quando esse fluxo é muito lento, ou quando uma camada de incrustação mineral se acumula sobre o motor como um revestimento espesso de isolamento, o motor começa a "cozinhar-se". Esse superaquecimento danifica o delicado isolamento elétrico interno, levando à falha prematura, reparos dispendiosos e longos períodos de inatividade em locais remotos onde a manutenção é difícil.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Estadual de Mineração e Tecnologias de Navoi partiu para resolver este problema com uma correção mecânica simples, porém eficaz. Eles focaram em dois modelos específicos de bombas amplamente utilizados na região, o USK 408/42 e o URN 6 25/14, que operam em poços de diferentes tamanhos. O cerne de sua solução é uma camisa de resfriamento, uma manga cilíndrica que se ajusta perfeitamente ao bocal de sucção da bomba. Imagine esta camisa como um funil que força o líquido a espremer-se através de uma fenda estreita entre a manga e o motor, em vez de deixá-lo derivar preguiçosamente pelo amplo espaço do poço. Ao estreitar o caminho, a camisa acelera o fluido, transformando uma deriva lenta e de resfriamento ineficaz em um fluxo rápido e de resfriamento eficaz que lava o calor da superfície do motor.

Os pesquisadores começaram construindo um modelo matemático para prever como essa mudança no fluxo afetaria a temperatura do motor. Eles calcularam que, sem a camisa, o fluido movendo-se ao redor do motor em um poço típico viajava a uma velocidade de cerca de 0,17 metros por segundo, o que é muito lento para evitar o acúmulo perigoso de calor. Com a instalação da camisa, descobriram que a velocidade poderia ser aumentada significativamente. Para o modelo de bomba menor, a camisa poderia aumentar a velocidade do fluxo para 0,69 metros por segundo. Este aumento de velocidade é crucial porque a capacidade do fluido de remover o calor cresce rapidamente à medida que ele se move mais rápido. Seus cálculos mostraram que, para a bomba menor, a instalação de uma camisa com um diâmetro interno de 113 milímetros reduziria a diferença de temperatura entre a superfície do motor e o fluido circundante de um risco de 9,4 graus Celsius para um valor seguro de 2,4 graus Celsius.

Para garantir que sua matemática correspondesse à realidade, a equipe recorreu a simulações computacionais. Eles criaram modelos 3D detalhados das bombas e realizaram testes virtuais para ver como a água realmente se movia. As simulações revelaram uma diferença gritante entre as duas configurações. Sem a camisa, a água tendia a contornar o motor completamente, fluindo pelo amplo espaço aberto do poço e deixando a superfície do motor em uma zona de fluido estagnada e quente. Com a camisa, a água é forçada a abraçar o motor, criando um fluxo uniforme e de alta velocidade ao longo de todo o seu comprimento. Os resultados do computador confirmaram que a camisa poderia baixar a temperatura média da superfície do motor em 12,6 graus Celsius e reduzir o ponto mais quente dentro do motor em 16,5 graus Celsius. Embora o modelo matemático tenha previsto uma melhoria ligeiramente menor, a simulação provou que a camisa altera fundamentalmente a forma como o resfriamento funciona, garantindo que o motor nunca seja deixado em uma zona estagnada.

A equipe não parou na teoria e na simulação; eles levaram o conceito ao laboratório para verificar o comportamento físico. Eles montaram uma bancada de testes com uma bomba real de menor porte e equiparam-na com camisas de diferentes tamanhos. Ao fazer a água correr pelo sistema em várias velocidades, mediram a temperatura da superfície do motor diretamente. Os experimentos confirmaram a tendência prevista pelos cálculos: à medida que o diâmetro da camisa diminuía e a velocidade da água aumentava, o motor permanecia mais frio. Em um teste, conseguiram reduzir o superaquecimento do motor de 14,2 graus Celsius para apenas 0,5 grau Celsius ao utilizar a menor camisa com a maior taxa de fluxo. Embora o fluxo no laboratório fosse mais lento do que o que ocorre em poços industriais profundos, os resultados demonstraram claramente que a camisa funciona conforme pretendido, forçando o fluido a realizar o trabalho de resfriamento para o qual foi projetado.

O caso econômico para esta solução é convincente. Os pesquisadores estimaram que o custo total para fabricar, entregar e instalar uma camisa de resfriamento para uma única bomba é de cerca de 37 dólares americanos. Este é um valor insignificante comparado ao custo de rebobinar um motor queimado ou substituir uma unidade de bomba inteira, especialmente em operações de mineração remotas onde a inatividade não planejada pode interromper todo o processo de produção. Ao manter o motor mais frio, a camisa prolonga a vida útil do isolamento elétrico, que se degrada duas vezes mais rápido para cada 10 graus Celsius de aumento de temperatura. Embora o estudo não tenha quantificado a economia exata de energia, o principal benefício é a confiabilidade. A camisa garante que a bomba possa operar continuamente sem o risco de superaquecimento, transformando um potencial ponto de falha em um componente robusto e duradouro da infraestrutura de mineração. Os pesquisadores concluíram que esta manga simples é uma solução de engenharia altamente eficaz, fornecendo uma maneira física clara de gerenciar o calor em um ambiente onde o resfriamento é, de outra forma, impossível.