bomba tipo cilindro
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA MINAS PETRÓLEO Y
AMBIENTAL
ESCUELA DE PETRÓLEOS
MECÁNICA DE FLUIDOS II
Proyecto Experimental:
Construcción de una Bomba Tipo Cilindro o Bomba de Pistón
CUARTO – PETRÓLEOS
GRUPO B
Ing. Néstor Valdospinos C. Ms. Sc.
QUITO - ECUADOR
JUNIO 2014
LISTA DE INTEGRANTES DEL GRUPO
# ESTUDIANTE
1 MIRANDA JAVIER
2 MONTERO KATHERINE
3 MORALES MARÍA JOSÉ
4 OLEAS JOEL
5 PADILLA MAURICIO
6 PILLAJO ANDRÉS
7 PORTILLAS ANDERSON
8 PROAÑO JORGE
9 QUEZADA DAVID
10 QUILOANGO DIEGO
11 QUISHPE ANDRÉS
12 REYES SANTIAGO
13 RODRÍGUEZ SANTIAGO
14 SÁNCHEZ ELIZABETH
15 SANTOS PABLO
16 TAMAYO BOLÍVAR
17 VÁZQUEZ CRISTHIAN
18 ZAPATA DANIEL
CAPÍTULO I
1.1 TEMA:
Construcción de una bomba tipo cilindro o bomba de pistón.
CAPÍTULO II
2.1. INTRODUCCIÓN:
Este proyecto experimental tiene como propósito la construcción de una bomba
tipo cilindro para comprender los principios que rigen su funcionamiento, por lo
cual se elaborará la misma de una forma casera utilizando materiales
económicamente accesibles. El alcance del proyecto es vincular la bomba con su
aplicación en la industria petrolera.
Las bombas tipo cilindro o bombas de pistón son muy útiles para bombear el fluido
hidráulico que después accionará los diversos mecanismos. Igualmente su utilidad
en los diferentes campos de la ingeniería.
2.2. JUSTIFICACIÓN:
El proyecto tiene como base asimilar los conocimientos sobre las características,
principios, estructuras y funcionamiento de la bomba tipo cilindro, tema primordial
en nuestra formación profesional, que mediante los conocimientos de Mecánica de
Fluidos II se intentará construir una bomba de carácter práctico educativo, para
mejorar el entendimiento de la misma y cimentar nuestros conocimientos.
2.3 OBJETIVO GENERAL:
Construir un modelo de bomba tipo cilindro o bomba de pistón, mediante la
utilización de materiales económicamente accesibles, con el fin de comprender su
funcionamiento.
2.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
o Investigar los principios teóricos que explican el funcionamiento de una bomba
tipo cilindro.
o Establecer el diseño y los materiales que se debe considerar para la
construcción de la bomba.
o Construir la bomba y presentarla en funcionamiento ante todos los compañeros
de la asignatura con la debida explicación de los principios que rigen su
operación.
2.5. FACTIBILIDAD
Factibilidad Económica.
Los materiales para la bomba son económicamente factibles, por lo cual el
grupo de trabajo está en la capacidad de autofinanciarse.
Factibilidad Técnica.
Se cuenta con el apoyo informático y manejo de las TIC´s con una amplia gama
de fuentes bibliográficas sobre el tema en mención.
2.4. ACCESIBILIDAD
El grupo está en la capacidad de elaborar la Bomba tipo cilindro, pues consta de
los conocimientos básicos, e información extra, además de puntualizar que la
bomba no posee riesgos porque no se realizará a altas presiones, por lo contrario
será un modelo didáctico.
CAPÍTULO III
3.1 MARCO TEÓRICO
3.1.1 BOMBA DE PISTÓN
Una bomba de pistón es una bomba hidráulica que genera el movimiento en el
mismo mediante el movimiento de un pistón. Las bombas de pistones son del tipo
bombas volumétricas y se emplean para el movimiento de fluidos a alta presión o
fluidos de elevadas viscosidades o densidades.
Su funcionamiento se fundamenta en que movimiento del pistón desaloja, en cada
movimiento un mismo volumen de fluido, que equivale al volumen ocupado por el
pistón durante la carrera del mismo.
Esquema de una bomba tipo cilindro o de pistón
Las bombas de pistón son utilizadas generalmente en la industria por su alto
rendimiento y por la facilidad de poder trabajar a presiones superiores 2000 lb/plg2
y tienen una eficiencia volumétrica aproximadamente de 95 a 98%.
3.1.2 OPERACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS DE PISTÓN
La operación de este tipo de bombas es interesante y muy parecida a los motores
de pistón. Se trata de varios cilindros pistones o de uno grande y axial que
comienza a aspirar líquido y luego a expulsarlo, de manera que salga a presión y
pueda ser enviado a distancias mayores que las bombas tradicionales, lo que
permite optimizar el transporte de fluidos.
A mayor cantidad de pistones, más potencia se puede generar, de tal manera, que
podemos obtener un cabezal de bombeo y una extraordinaria eficiencia.
A parte de las características mencionadas anteriormente se pueden añadir las
siguientes:
Bombeo de productos particulares y productos sensibles a esfuerzos de
cizalla.
Temperatura de trabajo: 120°C (puede variar según el diseño).
Trabajo en vacío.
Diagrama de operación de una bomba de pistón
3.1.3 ETAPAS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA DE PISTÓN
Una bomba de pistón puede funcionar acoplada a un motor alternativo accionado
con cualquier tipo de energía (neumática, eléctrica, etc). El movimiento alternativo
se repite indefinidamente mientras esté conectado el suministro de energía,
independientemente de si la bomba está alimentada con líquido o no.
1. Varilla en posición inferior.
2. Se produce la apertura de la válvula de succión y el llenado de la bomba.
Simultáneamente, por el cierre de la válvula de la varilla, es desalojado el
producto que se encuentra sobre el sello del émbolo.
3. Varilla en posición superior.
4. Por la acción de la varilla, que se desplaza hacia abajo, se produce la
apertura de la válvula del émbolo y el cierre de la válvula de succión,
desalojándose producto por la salida en un volumen igual al ocupado por la
varilla.
5. Varilla en posición inferior.
Bomba de pistón oscilante
3.1.4 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE PISTÓN
BOMBA DE PISTÓN
BOMBA DE ACCIÓN SENCILLA
Desplaza fluido a la superficie en un solo sentido, es decir, en el
movimiento de ascenso o descesnso.
BOMBA DE ACCIÓN DOBLE
Desplaza fluido hasta la superficie en ambos recorridos ya que posee válvulas
de succión y de descarga en ambos lados del pistón que combinan acciones de
apertura -cierre de las válvulas de succión y descarga del mismo.
BOMBA DE SUCCIÓN
Debido a la gran variedad de las bombas de pistón, estas pueden clasificarse
como:
Bombas de pistón radial
Los pistones se deslizan radialmente dentro del
cuerpo de la bomba que gira alrededor de una
flecha.
Bombas de pistón axial
Los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano
paralelo al eje de la flecha impulsora. Este tipo de
bomba puede trabajar en ambas direcciones. El plato
inclinado es movido por el eje y el ángulo del plato
determina la carrera del pistón. Las válvulas son
BOMBA PISTÓN
Axiales
Los pistones son paralelos entre sí y
también paralelos al eje
Caudal variable
Radiales
Los pistones son perpendiculares al eje, en forma
de radios
Caudal variable
Transversales
Los pistones son perpendiculares al eje son accionados
por bielas
Caudal fijo
Bomba según el eje que las acciona
necesarias para dirigir el flujo en la dirección correcta.
Bombas de pistón de barril angular (Vickers)
Las cargas para impulsión de la bomba
y las cargas de empuje por la acción del
bombeo van soportadas por tres
cojinetes de bolas de hilera simple y un
cojinete de bolas de hilera doble. Este
diseño de bomba ha dado un excelente
servicio a la industria aeronáutica.
Bombas de pistón de placa de empuje angular (Denison): Este tipo de
bombas incorpora zapatas de pistón que se deslizan sobre la placa de
empuje angular o de leva. La falta de lubricación causará desgaste.
Las bombas neumáticas de pistón Las bombas neumáticas de pistón
están compuestas de un motor de aire y de una estructura definida “grupo
de bombeo”. Las partes fundamentales del motor neumático son el pistón y
el dispositivo de válvulas. Este permite la inversión automática del
movimiento del pistón. El caudal de una bomba de pistón depende de la
cantidad de material que suministra en cada ciclo.
3.1.5 APLICACIONES DE LA BOMBA DE PISTÓN
Máquinas Hidráulicas
Esta es la aplicación más habitual de las bombas de pistón, en las que se utilizan
para bombear el fluido hidráulico que después accionará los diversos mecanismos
(ej; motores hidráulicos, cilindros hidráulicos)
Industria del agua a alta presión
Para hidrolimpiadoras normalmente en disposición de tres pistones
cerámicos en línea para equipos industriales y profesionales, y de plato
oscilante para las aplicaciones de bricolaje
Para equipos de corte por chorro de agua, en las que actúa como impulsor
primario antes del multiplicador de presión.
En equipos de chorreo de arena por agua a alta presión.
Industria de la minería y la construcción
Bombeo de hormigón
Bombeo de agua a alta presión para perforadoras y tuneladoras.
Como bomba de relleno de reservorios de petróleo en los pozos
petrolíferos.
Agricultura
Como bomba para fumigacipón y tratamientos fitosanitarios.
Como bomba de trasvase en bodegas.
Como bombas para sistemas de riego.
3.2 USOS DE LA BOMBA DE PISTÓN EN LA INDUSTRIA PETROLERA
3.2.1 BOMBEO MECÁNICO
El yacimiento que ha de producir por bombeo mecánico tiene cierta presión,
suficiente para que el petróleo alcance un cierto nivel en el pozo. Por tanto, el
bombeo mecánico no es más que un procedimiento de succión y transferencia
casi continua del petróleo hasta la superficie. El balancín de producción, que en
apariencia y principio básico de funcionamiento se asemeja al balancín de
perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas
de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción o
de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo
La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera
descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para
que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la carrera
ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo
que está en la tubería y la válvula fija permite que entre petróleo a la bomba. La
repetición continua del movimiento ascendente y descendente (emboladas)
mantiene el flujo hacia la superficie
Como en el bombeo mecánico hay que balancear el ascenso y descenso de la
sarta de varillas, el contrapeso puede ubicarse en la parte trasera del mismo
balancín o en la manivela. Otra modalidad es el balanceo neumático,
cuya construcción y funcionamiento de la recámara se asemeja a un amortiguador
neumático; generalmente va ubicado en la parte delantera del balancín. Este tipo
de balanceo se utiliza para bombeo profundo.
Los diámetros de la bomba varían de 25,4 a 120 milímetros. El desplazamiento de
fluido por cada diámetro de bomba depende del número de emboladas por minuto
y de la longitud de la embolada, que puede ser de varios centímetros hasta 9
metros. Por tanto, el bombeo puede ser de fracciones de metro cúbico hasta unos
470 metros cúbicos/día.
Las bombas son del tipo llamado de tubería de educción, ya que el cilindro o
pistón de la bomba va conectado a la tubería de educción y se mete en el pozo
como parte integral de la sarta a la profundidad deseada de bombeo. El émbolo de
la bomba, que lleva la válvula viajera, constituye la parte extrema inferior de la
sarta de varillas de succión. La sarta de varillas se mete en la tubería de educción
hasta llegar a la válvula fija, ubicada en el fondo del cilindro. Luego se sube la
sarta de varillas cierta distancia y por medio del vástago pulido, colgador y riendas
se fija en el balancín, de manera que en la carrera descendente no golpee la
válvula fija.
Otro tipo de bomba es la integral, en la cual todos sus elementos conforman una
sola pieza, que utilizando la sarta de varillas se puede colocar o extraer, sin
necesidad de sacar la sarta de educción, para cambiarle algunos de sus
componentes o reemplazarla por otra del mismo diseño. Este tipo requiere que la
sarta de educción sea provista de un niple adecuado o dispositivo similar para
encajarla. Como las válvulas fija y viajera deben ser resistentes a la corrosión y a
la abrasión, sus esferas y asientos se fabrican de acero inoxidable, acero
templado, metal monel, aleaciones de cobalto, acero tungsteno o bronce.
Las varillas de succión son hechas de varias aleaciones de metales. Están sujetas
a un funcionamiento mecánico que le impone esfuerzos de estiramiento,
encogimiento y vibración; fatiga, corrosión, erosión. Cada varilla tiene en un
extremo una espiga (macho) redonda, sólida y roscada, y más abajo del hombrillo,
en forma cuadrada, una muesca para encajar la llave para el enrosque y
desenrosque. En el otro extremo lleva la caja o conexión hembra, internamente
roscada, con muesca exterior o con muesca por debajo de la caja, para otra llave
que facilita el enrosque o desenrosque de la varillas una tras otra. Las varillas se
fabrican, generalmente, en diámetros de 15,9; 19; 22,2; 25,4 y 28,6 milímetros,
con sus correspondientes dimensiones para la espiga, hombrillo, caja, muesca,
etc.
La longitud de las varillas es de 7,6 y 9,15 metros. El peso de las varillas, en kg/30
metros de longitud, va desde 32,7 a 167,3 kilogramos. Para cada diámetro de
tubería de educción existe un diámetro adecuado de varillas, para mayor
efectividad de funcionamiento.
Es el sistema más reconocido de bombeo. Utiliza un movimiento vertical
transmitido por contrapesos y un brazo mecánico que sube y baja.
La bomba en sí misma se encuentra en el fondo y se le transmite el movimiento a
través de varillas que hacen su recorrido por dentro del tubing. Al descender, la
válvula inferior se cierra y el pistón de la bomba baja llenándose de petróleo. Al
subir, la válvula inferior se abre y mientras el pistón jala el petróleo que tiene
dentro hacia arriba, a la vez llena la parte inferior por succión con una nueva carga
que posteriormente elevará.
Así opera en forma alternativa o batch. Dado el gran brazo de torque que tienen,
son el tipo de bomba preferido en caso de tener que generar grandes presiones.
La motorización puede ser eléctrica o con motor a explosión.
Este es un método muy difundido en nuestro país y uno de los más antiguos.
Fue de hecho el primer sistema artificial de bombeo. Los equipos actuales poco
tienen que ver con sus antecesores desde el punto de vista materiales, pero
el concepto operativo es idéntico. No es el más económico ni en su costo inicial ni
operativo ya que poseen una estructura relativamente grande en la superficie y
esto unido a la inclemencia del clima , implica un mantenimiento importante para
asegurar su funcionamiento.
3.2.1.1 DESCRIPCION DE COMPONENTES
Unidad de Bombeo
Es una unidad integrada cuyo objetivo es cambiar el movimiento angular del eje
del motor a reciproco vertical, a la velocidad apropiada con el propósito de
accionar la sarta de cabillas y bomba de subsuelo.
Motor
Equipo que suministra el movimiento y potencia a la unidad de bombeo para
levantar los fluidos de los pozos. Este puede ser un equipo de combustión interna
o accionado con energía eléctrica, siendo este último el de mayor utilización en
la industria.
Cabillas
Elemento de conexión entre la unidad de bombeo, instalada en la superficie y la
bomba de sub-suelo. Mediante de esta se transmite el movimiento reciproco
vertical a la bomba para el desplazamiento del fluido generalmente
son productos de acero y por lo tanto poseen propiedades de masa y elasticidad.
Bomba de Sub-suelo
Es una bomba de pistón de desplazamiento positivo, desde su profundidad de
instalación hasta la superficie, que funciona por diferenciales de presión mediante
bolas y asientos, para permitir la entrada y sello de fluido en ciclos periódicos
sincronizados.
Bomba Mecánica con balancín API
3.2.1.2 TIPOS DE UNIDADES DE BOMBEO
Pueden dividirse en los siguientes tipos básicos:
Balancín API
Hidráulico
a) Balancín API:
Estas unidades de bombeo cumplen las especificaciones API en sus diseños y
son los más utilizados para el levantamiento mecánico, porque sus costos de
operación son relativamente bajos y su amplia adaptación a las condiciones de los
pozos.
b) Hidráulico
Estas unidades de bombeo consisten en sistemas que conectan varios
componentes con nuevos diseños y utilizan, principalmente, la
fuerza hidráulica para trasmitir energía a la bomba de sub-suelo a través de la
cabilla
3.2.2 EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO CON UNIDAD DE BOMBEO
HIDRÁULICO
Las Bombas Hidráulicas a Pistón se componen de dos secciones básicas. La
motriz y la del embolo que bombea. Ambas unidades son de carrera reciprocante.
Se conectan directamente con una varilla central. Por tanto a medida de que la
parte motriz suba, el embolo que bombea también sube llenando el inferior de su
cilindro, debajo de la parte motriz, con una carga de producción.
Cuando la parte motriz hace su carrera descendente. El embolo también baja
desplazando el fluido producido desde su cilindro
La acción de bombeo es la misma como en una bomba mecánica de varillas, ya
que tiene el cilindro, el embolo, la válvula móvil y la válvula de pie. Sin embargo, al
no tener ninguna conexión mecánica con la superficie, muchas de las limitaciones
del bombeo mecánico se eliminan.
3.2.2.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BOMBEO HIDRÁULICO CON LA
UTLIZACIÓN DE LA BOMBA TIPO PISTÓN
Ventajas
Con el sistema de levantamiento artificial hidráulico se puede producir
grandes caudales desde mayores profundidades, esto es con relación a las
bombas de varillas, gas lift, o una bomba electro sumergible.
Mediante el sistema de levantamiento hidráulico se puede dar gran
flexibilidad para adaptarse a los cambios de caudales de producción.
Salvo casos extremos las bombas hidráulicas para su cambio no requieren
de torre de reacondicionamiento.
Las bombas Pistón tienen mejores eficiencias a grandes profundidades que
una bomba de varillas porque no existe el problema del estiramiento de la
sarta.
Todas las bombas hidráulicas pueden accionarse desde una sola fuente de
fluido motriz.
Desventajas
El complejo diseño de las bombas pistón hace que la operación de trabajo
sea la adecuada y el asesoramiento técnico constante para optimizar la
durabilidad (tiempo de vida) de los equipos de subsuelo.
La reparación de las bombas pistón se las tiene que realizar en un taller
adecuado con los aparatos de control y calibración exactos para chequear
las tolerancias de cada una de sus partes.
Como se trabaja con presiones de operación altas hace que el trabajo se lo
realice con gran meticulosidad ya que una mala operación puede acarrear
problemas con consecuencias graves.
Para una eficiente operación de las bombas hidráulicas se requiere que el
fluido motriz sea limpio.
3.3 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA BOMBA EXPERIMENTAL
• 4 uniones 2"
• 1 te 2"
• 1 codo 90 2"
• 2 válvulas check 2"
• 1 buje 2" x 1"
• 1 m tuvo 1"
• 1 frasco poli limpia
• 1 frasco pegamento PVC
• 1 lija #3
• 0,5 m tubo 2"
3.4ESQUEMA DE LA BOMBA EXPERIMENTAL
3.4 PROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA BOMBA
1. Se lija la parte interna y externa de la boca de todas las piezas con poli
limpia removiendo la suciedad y dejando lo más liso posible.
2. Se aplica el pegamento para PVC en la parte externa de las puntas y en la
parte interna de la Te, codo de 90, bombas check.
3. Con un cuarto de vuelta se unen todas las piezas y se realiza presión para
que queden bien selladas.
4. Se une el tubo de 1" a la boca reducida del buje de 2" x 1", mientras que la
boca de 2" se une a la parte inferior de la primera bomba check.
5. La primera unión se junta a la boca superior de la válvula check.
6. Al extremo contrario de la unión se pega la Te, y a cada extremo de la Te,
se junta dos uniones más.
7. A la unión pegada a la Te se une el codo de 90, y a este se une otra unión
que permita unir la otra válvula check.
8. A la boca superior de la válvula check se coloca una manguera para que el
fluido pueda extraerse.
9. A la boca de la Te sobrante se une un tubo de 2" de aproximadamente 50
cm de longitud donde se adapta el pistón con su respectiva biela.
CAPÍTULO IV
4.1 CONCLUSIONES
La bomba de pistón es una máquina hidráulica de desplazamiento positivo
que transforma la energía mecánica en energía de presión; cuyo
funcionamiento está basado en el movimiento alternativo de un pistón de
doble efecto, que permite cerrar y abrir de forma simultánea las válvulas de
succión y descarga.
Los principales tipos de bomba de pistón son: bomba pistón radial, bomba
pistón axial, bomba pistón de barril angular y bomba pistón de placa angular
de empuje.
Las aplicaciones de este tipo de bomba en la industria petrolera se ven
claramente expresadas en el bombeo mecánico realizado a través de un
balancín o por un equipo de bombeo hidráulico.
4.2. RECOMENDACIONES
Incentivar a los estudiantes para que creen sus modelos de los distintos
tipos de bombas utilizados en la industria petrolero y cuyo fundamento se
estudia en la cátedra de Mecánica de Fluidos II.
La creación de un laboratorio para la asignatura sería de gran ayuda para la
comprensión de los distintos temas tratados a lo largo del semestre; en un
inicio se podría dotar al laboratorio con los mejores experimentos que
hayan sido presentados por los estudiantes y por lo tanto sean usados por
las futuras generaciones.
4.3 BIBLIOGRAFÍA
http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_pist%C3%B3n
http://www.quiminet.com/articulos/las-bombas-de-piston-sus-caracteristicas-
y-aplicaciones-23519.htm
h ttp://www.google.com.ec/url?
sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&ved=0CEEQFjAC&url=http%3A
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http://www.sabelotodo.org/aparatos/bombasimpulsion.html
http://www.portaleso.com/portaleso/trabajos/tecnologia/mecanica/
elementos_de_maquinas/embolo.htm
http://repositorio.ute.edu.ec/bitstream/123456789/5713/1/42345_1.pdf
http://repositorio.ute.edu.ec/bitstream/123456789/5909/1/34117_1.pdf
CAPÍTULO V
5.1 ANEXOS
5.1.1 FOTOGRAFÍAS DEL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LA BOMBA