BOMBEO DE CRUDO ALTAMENTE VISCOSO EN EL TRAMO I DEL O. N. P. MEDIANTE BOMBAS DE TORNILLO

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1 BOMBEO DE CRUDO ALTAMENTE VISCOSO EN EL TRAMO I DEL O. N. P. MEDIANTE BOMBAS DE TORNILLO José Walter Díaz Ugarte Quiroz Piura, 06 de Mayo de 2009 FACULTAD DE INGENIERÍA Área Departamental de Ingeniería Mecánico-Eléctrica Mayo 2009

2 BOMBEO DE CRUDO ALTAMENTE VISCOSO EN EL TRAMO I DEL O. N. P. MEDIANTE BOMBAS DE TORNILLO Esta obra está bajo una licencia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú Repositorio institucional PIRHUA Universidad de Piura

3 U N I V E R S I D A D D E P I U R A FACULTAD DE INGENIERÍA Programa Académico de Ingeniería Mecánico-Eléctrica Bombeo de crudo altamente viscoso en el Tramo I del O.N.P mediante bombas de tornillo Tesis para optar el Título de Ingeniero Mecánico - Eléctrico José Walter Díaz Ugarte Quiroz. ASESOR: Dr. Ing. Daniel Marcelo Aldana. Piura, Mayo 2009

4 A Dios, a mis padres, a mi abuela y a mis demás seres queridos por su constante apoyo, paciencia y motivación.

5 Prólogo El presente trabajo surge a raíz de la necesidad de Petroperú S.A-Operaciones Oleoducto a bombear crudos altamente viscosos, los cuales a través de los años han ido disminuyendo su calidad. Dicho aumento de viscosidad ha incrementado los costos de operación y mantenimiento con los equipos actuales, para lo cual se ha presentado como alternativa de solución el cambio de equipos de bombeo a unos que se adecúen a los requerimientos actuales. Con la motobomba centrífuga actual no es posible bombear mayores caudales a los bombeados en la actualidad, menos aún si el crudo disminuye en calidad; ésto se debe a la limitación de potencia de la unidad motriz por el bajo rendimiento de la bomba centrífuga al bombear este tipo de crudo. Dicha limitación de potencia implica un elevado costo de operación así como de mantenimiento debido al elevado consumo de combustible y al deterioro de los componentes del equipo, siendo desfavorable técnica y económicamente para la empresa. En este trabajo se analiza desde el punto de vista técnico y económico, la posibilidad de reemplazar el actual equipo de bombeo de la Estación N 01 conformado por la motobomba centrífuga 1MB1 por motobombas de desplazamiento positivo tipo Tornillo. Las motobombas tipo tornillo presentan como principal característica el alto rendimiento al operar con fluidos viscosos. Hasta la fecha, en la Sección Energía de la Universidad de Piura no se han realizado trabajos de tesis donde se estudien las bombas de tornillo para el bombeo de crudos viscosos en el Oleoducto Nor Peruano. Quisiera terminar agradeciendo a todos aquellos que de alguna u otra forma me ayudaron en el desarrollo de esta tesis. A mi asesor Dr. Ing. Daniel Marcelo Aldana, por su constante dedicación. A mis compañeros de la Unidad Ingeniería de Operaciones Oleoducto- Petroperú S.A por su constante asesoría en las diversas dudas que surgieron durante el trabajo. A mis mejores amigos, que dentro de sus posibilidades fueron un incondicional apoyo dentro del desarrollo de esta tesis. Finalmente, gracias a mis padres y abuela por ser los primeros y mejores motivadores y enseñarme a soñar en grande.

6 Resumen Esta tesis propone el uso de las motobombas de desplazamiento positivo tipo tornillo para el bombeo de crudos altamente viscosos en el Tramo I del Oleoducto Nor Peruano, en reemplazo de la actual motobomba centrífuga. La tesis se desarrolla en cinco capítulos. El primer capítulo describe al Oleoducto Nor Peruano, brindando los criterios de diseño utilizados para su construcción, su funcionamiento a lo largo de los tramos y la situación actual en la que se encuentra éste. El segundo capítulo se ocupa del estudio de la teoría de bombas centrífugas. El tercer capítulo se encarga del estudio de la teoría de las bombas de desplazamiento positivo, centrándose en la teoría y funcionamiento de las bombas tipo tornillo. El cuarto capítulo se encarga del análisis actual de los equipos de bombeo en la Estación Nº 01, básicamente se da un fundamento técnico de que los equipos no están funcionando correctamente. Por último, el quinto capítulo muestra la selección de la bomba de tornillo a utilizar, esto implica resultados técnicos y un análisis económico de que es conveniente el reemplazo del equipo de bombeo. Por medio de la consulta bibliográfica se obtienen los conceptos fundamentales para el entendimiento de cómo funciona el sistema de bombeo en el tramo I y poder seleccionar correctamente el equipo a utilizar. Para verificar la factibilidad de lo planteado se realiza el análisis económico, en el transcurso de la tesis se muestran los criterios tomados para dicho análisis. Los resultados son satisfactorios, llegando a la conclusión que es conveniente el reemplazo de las motobombas centrífugas por unas motobombas de tipo tornillo.

7 Índice Introducción...1 Capítulo I: PETROPERU S.A. y Oleoducto Nor Peruano Petróleos del Perú-Petroperú S.A Breve reseña histórica Oleoducto Nor Peruano Descripción general Especificación de las instalaciones Otros datos de referencia Criterios de diseño del Oleoducto Nor Peruano Caudal de diseño Características del petróleo crudo Pérdidas por fricción Tubería de la línea principal Presiones máximas admisibles Potencia de bombeo Diagnóstico de la situación actual Segregación de petróleo mediante batches Situación actual.. 14 Capítulo II: Teoría de bombas centrífugas Introducción Nociones generales Clasificación de las bombas Descripción general de las bombas centrífugas Teoría de las bombas centrífugas Relaciones hidraúlicas básicas Comportamiento de las bombas centrífugas Curvas características Operación de las bombas Operación en serie Operación en paralelo Factores que afectan el funcionamiento de las bombas 32

8 2.7.1 Gravedad específica (γ) Viscosidad (µ) Velocidad de bombeo Altura de succión positiva neta (NPSH) Puntos de funcionamiento Corrección de curvas características por viscosidad y velocidad Corrección por viscosidad Corrección por velocidad.. 39 Capítulo III: Teoría de bombas de tornillo Bombas de desplazamiento positivo Marco teórico Clasificación de las bombas de desplazamiento positivo Bombas de émbolo Bombas rotativas Características de operación de las bombas de desplazamiento positivo Bombas de tornillo Teoría de bombas de tornillo Tipos de bombas tornillo Comportamiento Aplicaciones especiales multifásicas Instalación y operación 80 Capítulo IV: Situación actual de los equipos de bombeo en la Estación N Introducción Descripción del equipo actual de bombeo Bombeo de crudos pesados con las actuales bombas centrífugas Simulación hidraúlica del Tramo I Cálculo de las curvas características de las unidades de bombeo Análisis de la situación actual del equipo de bombeo 92 Capítulo V : Selección y especificación de los equipos de bombeo..97 para las actuales y futuras calidades de crudo a bombear en el Tramo I del Oleoducto Nor Peruano 5.1 Introducción Características principales de las bombas de tornillo Selección del equipo de bombeo Bomba de dos tornillos Bomba de tres tornillos Selección y especificación de la bomba a utilizar Evaluación económica Consideraciones Resultados 117

9 Conclusiones 119 Bibliografía 121 Apéndice A 123 Apéndice B 149 Apéndice C 157 Anexo I. 171 Anexo II 175 Anexo III Anexo IV Anexo V 193 Anexo VI Anexo VII. 213 Anexo VIII 235 Anexo IX Anexo X 249 Anexo XI Anexo XII. 271 Anexo XIII 275 Anexo XIV 281

10 1 Introducción La calidad del crudo bombeado a través del Oleoducto Nor Peruano está disminuyendo notablemente a medida que pasa el tiempo, haciéndose cada vez más viscosos. El aumento de viscosidad en los crudos transportados limita el caudal a transportar por parte del equipo de bombeo actual, exigiendo una potencia muy elevada que sobrepasa la capacidad del motor actual. La unidad de bombeo al ser exigida al máximo aumenta su consumo de combustible y las piezas del equipo se dañan mucho más rápido, presentando elevados costos de operación y mantenimiento. El objetivo principal de este trabajo de tesis es el estudio de las bombas de desplazamiento positivo tipo tornillo para el bombeo de crudos viscosos en el Tramo I del Oleoducto Nor Peruano, haciendo más eficiente y rentable la operación del transporte de hidrocarburos. Dentro de este estudio se tienen en consideración las características de calidad del crudo a transportar por dicho tramo. En el capítulo I se da una explicación del Oleoducto Nor Peruano con la finalidad de conocer y tener presente su funcionamiento, criterios de diseño y situación actual a la que opera. El conocer todo lo mencionado anteriormente es útil para el entendimiento de lo que se plantea a lo largo de la presente tesis. En el capítulo II se desarrolla la teoría de las bombas centrífugas, detallando sus características principales. A través de la investigación bibliográfica se logra tener un conocimiento certero de este tipo de bombas para poder estudiar su comportamiento en las nuevas condiciones de funcionamiento a las que se encuentran operando actualmente. En el capítulo III se desarrolla la teoría de las bombas de desplazamiento positivo tipo tornillo, detallando sus características principales. A través de la bibliografía utilizada y con información brindada por el proveedor de dichos equipos se logra tener la información necesaria para tener una base teórica suficiente. Con la teoría brindada en este capítulo se está en la capacidad de seleccionar la bomba de tornillo a utilizar según sea el caso planteado. En el capítulo IV se presenta el estado de las bombas centrífugas en Estación Nº 01 según las condiciones de bombeo actuales. En este capítulo también se presentan los

11 2 fundamentos técnicos, que son uno de los sustentos a tomar en cuenta para realizar el cambio de motobombas centrífugas a equipos de desplazamiento positivo de tornillo. En el capítulo V se exponen los criterios de selección de la bomba de tornillo a utilizar, según las condiciones de bombeo a la que se encuentra el Tramo I actualmente. La selección se realiza con la ayuda del software WIPS proporcionado por IMO PUMP, que es el proveedor de las bombas de tornillo. Además, se presenta el análisis económico del reemplazo de las bombas centrífugas por bombas tipo tornillo para determinar la factibilidad o no del proyecto de tesis estudiado. Finalmente, se presentan las conclusiones de la tesis. La conclusión principal a la que se llega es la necesidad del cambio de los equipos de bombeo actual si se quiere trabajar con costos más bajos y tener la posibilidad de bombear mayores volúmenes a las condiciones de viscosidad que se manejan actualmente.

12 Capítulo I Petroperú S.A. y Oleoducto Nor Peruano Petróleos del Perú-PetroPerú S.A. Petróleos del Perú - PETROPERU S.A. fue creado el 24 de julio de PETROPERU es una empresa pública del Sector Energía y Minas que tiene a su cargo las diferentes actividades de la industria petrolera como son transporte, refinación y comercialización. Su actividad actual se resume en la figura 1.1. Las actividades realizadas por PETROPERU son destinadas a sus distintas operaciones, tales como: Talara, Conchán, Selva y Oleoducto. Operaciones Talara, Conchán y Selva básicamente están relacionadas con los procesos de refinación y bajo su cargo están las Refinerías Talara, Conchán e Iquitos, respectivamente. 1 Este capítulo ha sido desarrollado en base a la referencia [5].

13 4 Fig.1.1. Actividad actual de PETROPERU ACTIVIDAD DE LA EMPRESA PETROPERU S.A TRANSPORTE DE PETRÓLEO REFINACIÓN DE PETRÓLEO COMERCIALIZACIÓN DE PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO Oleoducto Nor - Peruano. Oleoducto Ramal Norte. Flota Marítima y Fluvial contratada Refinería Talara. Refinería Conchán. Refinería Iquitos. Refinería El Milagro. Refinería Pucallpa (en alquiler) Plantas de venta propias. Capacidad de almacenamiento contratada en terminales y plantas de venta. Red de estaciones de servicio afiliadas.

14 5 El proceso principal de Operaciones Oleoducto está conformado por: a) Recepción Es el proceso que consiste en recibir el petróleo enviado desde los centros de producción o refinación hasta las estaciones recolectoras (Estaciones de Andoas y 01) de Operaciones Oleoducto para transportarlo hasta la Estación Terminal Bayóvar. Los eventos más importantes son: Fiscalización de petróleo recibido. Descarga de barcazas (Estación 01). Segregación de petróleo. b) Almacenamiento Es el proceso de reunir el petróleo en tanques en las estaciones colectoras. Las Estaciones 01 y de Andoas son consideradas colectoras principales, pues reciben el petróleo producido en los campos de Pluspetrol Perú Corporation para su posterior transporte a la Estación 05. En Estación 05 y Terminal Bayóvar el almacenamiento es selectivo por calidad y por cliente. Los eventos más importantes son: Fiscalización de petróleo. Drenaje. Control operativo. Selección de tanques para la recepción del petróleo. c) Transporte Este proceso consiste en el bombeo del petróleo desde las estaciones recolectoras hasta el Terminal Bayóvar para su posterior embarque. Los eventos más importantes son: Operación de bombeo. Plan operativo Control de parámetros de bombeo. d) Despacho de petróleo Proceso que consiste en embarcar el petróleo en buque-tanques y barcazas por vía marítima y fluvial, respectivamente, con destino a las diferentes refinerías del país y del extranjero.

15 6 Actualmente, se embarca petróleo desde Bayóvar para las refinerías de La Pampilla, Conchán y Talara; y desde la Estación 01 con destino a la refinería de Iquitos. Los eventos más importantes son: Fiscalización de petróleo. Operaciones portuarias. Plan operativo de embarques Breve reseña histórica Se tenía conocimiento que en la década de los 80, los países compradores de petróleo y sus derivados tendrían que aceptar ser dependientes de un mercado dominado por los países exportadores de estos productos. El Perú percibió con suma claridad el efecto económico que implica no poseer petróleo y la gran incidencia que tiene en el desarrollo industrial. El balance energético proyectado indicaba que el petróleo y el gas natural representarían el 60 por ciento de la energía utilizada, muy por encima de la hidráulica y otras no convencionales. Se tenían dos campos de petróleo en la Amazonía, el de Aguas Calientes y el de Maquía; y el campo de gas de Aguaytía. Se inició un programa exploratorio en la Selva Norte, efectuando tres significativos descubrimientos que despertaron la atención de los círculos petroleros. Occidental Petroleum, la primera empresa en suscribir un contrato con PETROPERU, tuvo dos hallazgos importantes. PETROPERU encontró nuevas reservas petrolíferas que sumadas a la producción de los campos de Occidental se estimaban en barriles diarios, lo cual permitiría cubrir íntegramente la demanda nacional en ese entonces. Por la ubicación y por los volúmenes de producción de los campos petrolíferos de la Selva, el medio más rápido y viable de comercializar el crudo era el mercado brasileño, así se realizó desde 1974 hasta 1976, mediante transporte fluvial en barcazas (5 000 barriles/día). Esta operación tenía un alto costo, dependía mucho de las condiciones de navegación de los ríos y nuestro país continuaba importando crudo, a un promedio de barriles/día. Ante la promisora realidad que representaba nuestra Amazonía, la declinación de los campos petroleros en Occidente y sobre todo, por la necesidad de superar la onerosa condición de importador de petróleo y sus derivados, se decidió la construcción del oleoducto, para permitir recuperar el autoabastecimiento y generar divisas mediante la exportación. En 1972 se iniciaron los estudios correspondientes y, una vez definido el proyecto, en diciembre de 1974 se suscribió el contrato para la construcción del Oleoducto. La etapa de construcción del Oleoducto Nor Peruano comenzó el 26 de julio de 1974 con la firma del contrato entre PETROPERU Y BECHTEL, grandes y reconocidas empresas trabajaron para la construcción del Oleoducto y sus estaciones; tales como WILLIAMS/SEDCO/HORN, TECHINT, COSAPI, WIMPEY.

16 7 Luego de 30 meses el petróleo amazónico llegó al puerto de Bayóvar, por primera vez, en mayo de Pocos días después, el 07 de junio, el buque-tanque Trompeteros realizaba el primer embarque de crudo con destino a la Refinería La Pampilla. Posteriormente, PETROPERÚ construyó el Oleoducto Ramal Norte que va desde la Estación de Andoas hasta la Estación 05. Este Oleoducto inició su operación el 24 de febrero de Para llevar a cabo la construcción del Oleoducto se requirió una inversión de 671 millones de dólares, la cual fue financiada gracias a la cooperación de los gobiernos de Japón, República Federal Alemana, Estados Unidos de América, Gran Bretaña, Unión Soviética y Argentina. Luego del Oleoducto de Alaska, el Oleoducto Nor Peruano ha sido calificado como la obra de ingeniería más compleja de su género en el mundo. Tiene 856 kilómetros de longitud en su tramo principal que nace en San José de Saramuro, avanza en paralelo al río Marañón al cual cruza dos veces, pasa por zonas boscosas y pantanosas en la Selva Alta, asciende por los Andes a 2400 metros de altura, y luego desciende para cruzar el desierto de Sechura y llegar, finalmente, a la bahía de Bayóvar en Piura. Actualmente este terminal tiene la posibilidad de desembarcar crudo de los buques que circulan por el canal de Panamá. Esto potencia aún más las actividades de PETROPERU, porque además de tener una playa de almacenamiento para la producción de la selva, se puede almacenar crudo proveniente del exterior en Bayóvar, cobrando según las tarifas vigentes por este servicio de almacenaje Oleoducto Nor Peruano Descripción general El Oleoducto Nor Peruano se divide en dos partes: El Oleoducto Principal que fue el primero en ser construido y va desde la Estación 01 en San José de Saramuro hasta el terminal de Bayóvar y el Oleoducto Ramal Norte que va desde la Estación Andoas hasta la Estación N 05 en Borja. El Oleoducto principal se divide en el Tramo I que va desde la Estación N 01 hasta la Estación N 05 y el Tramo II que va desde la Estación N 05 hasta el Terminal de Bayóvar. El Tramo Ramal Norte presenta una estación intermedia llamada Estación de Morona. El sistema del Oleoducto recibe petróleo crudo de las instalaciones colectoras de Pluspetrol ubicadas en San José de Saramuro, al suroeste de Concordia, en un emplazamiento paralelo al curso del río Marañón y en Andoas, en la selva peruana, el que transporta hasta Bayóvar en la bahía de Sechura. Al llegar ambos ramales a Borja, sigue una ruta orientada hacia el Oeste hasta Olmos, cruzando los Andes en el paso de Porculla a una elevación de 2400 m.s.n.m. De Olmos el oleoducto continúa directamente hasta Bayóvar.

17 8 En la figura 1.2 se puede apreciar el mapa de la ruta del Oleoducto Nor Peruano, con sus distintas estaciones de bombeo. Fig.1.2. Oleoducto Nor Peruano Mapa de la ruta del Oleoducto Nor Peruano El mapa de la ruta muestra las instalaciones colectoras de Andoas y Estación N 01 que consisten en una playa de tanques y Estaciones de Bombeo respectivas, las instalaciones intermedias con las Estaciones de Bombeo N s 05, 06, 07, 08 y 09, y una playa de tanques, instalaciones marítimas de embarque y descarga de lastre en el terminal de Bayóvar. La tubería tiene 24 pulgadas de diámetro, espesor de 0.25 pulgadas en su mayoría y 0.5 pulgadas en un pequeño tramo y además una longitud de kilómetros entre la Estación de Bombeo N 01 y la Estación de Bombeo N 05. Entre la Estación de Bombeo N 05, y Bayóvar se tiene 36 pulgadas de diámetro, espesores entre y pulgadas y una longitud de 549 kilómetros. Entre los componentes principales de cada estación de bombeo se encuentran las bombas centrífugas accionadas por motores y/o turbinas. También, existen generadores accionados por motores en todos los lugares de emplazamiento de las estaciones de bombeo y en Bayóvar.

18 9 En el Tramo Ramal Norte, la tubería tiene 16 pulgadas de diámetro, espesor promedio de 0.7 pulgadas y una longitud de 252 kilómetros. Al igual que en el tramo anterior, los componentes principales de la mayoría de las estaciones de bombeo son las bombas centrífugas accionadas por motores y/o turbinas y los generadores son accionados por motores en todos los lugares de emplazamiento de las estaciones de Bombeo y en Bayóvar. En las estaciones de Andoas y Morona hay motobombas centrífugas y se encuentran actualmente instalando un grupo de motobombas tipo tornillo. Cuenta también con los equipos de rutina, como son los motogeneradores, electrobombas, etc. La Estación N 01 está ubicada dentro del recinto de playa de tanques en San José de Saramuro, la Estación Andoas se encuentra dentro de la playa de tanques de dicha estación y a lo largo del Tramo Ramal Norte tenemos la Estación Morona. Las otras cinco estaciones están ubicadas a lo largo del Oleoducto entre Borja y el Paso de Porculla. En el tramo entre Porculla y Bayóvar no se utiliza ninguna estación de bombeo. El terminal de Bayóvar tiene un espigón fijo completo con brazos de carga apropiados para el embarque y descarga de petróleo crudo en buques tanques de Toneladas DWT Especificación de las instalaciones Los principales equipos de bombeo y capacidad de almacenamiento disponible por cada estación de bombeo se resumen en las tablas 1.1 y 1.2. Tabla 1.1. Principales equipos de bombeo Item Estación Cantidad de Descripción Equipos 1 Andoas 2 Turbobomba centrífuga marca Ruston-Bingham de 4000 BHP por equipo. 2 Motobombas centrífugas marca Caterpillar-Ingersoll Rand de 750 BHP por equipo. 2 Motobombas tipo tornillo marca Caterpillar-IMO de 900 BHP por equipo. 2 Morona 2 Motobombas centrífugas marca Caterpillar-Bingham de 825 BHP por equipo. 2 Motobombas tipo tornillo marca Caterpillar-IMO de 475 BHP por equipo. 3 Estación 01 1 Turbobombas marca Ruston-Bingham de 1500 BHP. 1 Motobombas centrífugas marca Caterpillar-Bingham de 825 BHP por equipo. 4 Estación 05 2 Turbobombas marca Ruston-Bingham de 4000 BHP (Un equipo en Stand-by). 5 Estación 06 2 Turbobombas marca Ruston-Bingham de 4000 BHP (Un equipo en Stand-by). 2 Unidades para hacer referencia al peso muerto, DWT ( Deadweight)

19 10 6 Estación 07 2 Turbobombas marca Ruston-Bingham de 4000 BHP (Un equipo en Stand-by). 7 Estación 08 2 Turbobombas marca Ruston-Bingham de 4000 BHP (Un equipo en Stand-by). 8 Estación 09 5 Turbobombas marca Ruston-Bingham de 4000 BHP (Dos equipo en Stand-by). Tabla 1.2. Tanques principales de almacenamiento de crudo Item Estación Cantidad de Descripción Equipos 1 Andoas 3 01 Tanque de 125 MBls Tanques de 35 MBls. 2 Morona 1 01 Tanque de 5 MBls de alivio. 3 Estación Tanques de 105 MBls. 02 Tanques de 40 MBls. 4 Estación Tanques de 120 MBls. 02 Tanques de 12 MBls. 5 Estación Tanque de 20 MBls de alivio. 6 Estación Tanque de 20 MBls de alivio. 7 Estación Tanque de 20 MBls de alivio. 8 Estación Tanque de 20 MBls de alivio. 9 Bayóvar Tanques de 120 MBls. 01 Tanque de 20 MBls de alivio Otros datos de referencia En la tabla 1.3 y 1.4 se muestran algunos datos de referencia en lo concerniente a ubicación y alturas topográficas de los puntos más resaltantes del Oleoducto Nor Peruano. Tabla 1.3.Ubicación de las Estaciones del Oleoducto Nor Peruano Estación Progresiva (km) Altura (msnm) Andoas Morona (*) ,162 Bayóvar (*) Respecto a Estación 1, respecto a Andoas es 252 km. 3 MBls: Miles de Barriles.

20 11 Tabla 1.4. Puntos más altos en el Oleoducto Nor Peruano Lugar Progresiva (km) Altura (msnm) Pupuntas Montenegro Porculla Criterios de diseño del oleoducto Nor Peruano El Oleoducto Nor Peruano fue diseñado en base a los siguientes criterios de diseño: Caudal de diseño El diseño del sistema de tuberías está basado en los siguientes caudales para el petróleo crudo especificado en el apartado Tramo I: 250 MBPD (1656 m 3 ) h Tramo II: 527 MBPD (3491 m 3 ) h Tramo Ramal Norte: 105 MBPD ( Características del petróleo crudo m 3 ) h El sistema se diseñó en base a una temperatura de circulación del crudo de 18 C, cumpliendo las siguientes características: Tramo I 24 pulgadas: API API Peso específico Viscosidad C Tramo II 36 pulgadas: API API Peso específico Viscosidad C Tramo Ramal Norte 16 pulgadas: API 26.6 API Peso específico Viscosidad C 4 La gravedad API es una característica propia de los productos derivados del petróleo, para mayor detalle ver Apéndice A, apartado A.2.5.

21 Pérdidas por fricción Las pérdidas por fricción en la tubería están calculadas utilizando la ecuación básica de flujo, que es la siguiente: 2 f Q h = k [5] (1.1) 5 D Donde: k : constante igual a (Resulta de simplificar la ecuación A.30 del Apéndice A y tomando en cuenta las unidades en las que se va a trabajar). h : pérdida de carga en metros de agua por kilómetro. 3 m 3 Q : caudal en m por hora. h D : diámetro interno de la tubería en pulgadas. f : coeficiente de fricción determinado por el número de Reynolds y los datos experimentales de acuerdo a Colebrook, para mayor detalle ver Apéndice A, apartado A Tubería de la línea principal El diámetro exterior del Tramo principal es de 24 y de 36 pulgadas para el Tramo I y el Tramo II, respectivamente. El acero de la tubería tiene un límite a la fluencia de psi o de 36.6 kg 2. mm Para el Tramo Ramal Norte el diámetro de la tubería es de 16 pulgadas y el acero utilizado presenta un límite a la fluencia de psi o 36.6 kg 2, al igual que en el otro tramo. mm Códigos y Reglamentos Gobernantes El Oleoducto se encuentra construido de acuerdo al Código B 31.4 del ANSI ( American Nacional Standard Institute ) para tuberías de presión, sistemas de tuberías para el transporte de petróleo líquido ( Liquid Petroleum Transportation Piping System ) Presiones máximas admisibles La presión máxima admisible para la tubería está determinada utilizando la norma ANSI B 31.4 y la siguiente fórmula: S t d P = 200 [5] (1.2) D

22 13 Donde: P: Presión máxima admisible, en kg 2. cm S: Esfuerzo admisible, en kg 2 (En este diseño se consideró como admisible el 72 % del mm mínimo punto de fluencia especificado anteriormente). t: Espesor nominal de la pared del tubo, en pulgadas. d: Coeficientes de acoplamiento ( Para este diseño se consideró igual a 1) D: Diámetro exterior del tubo, en pulgadas Potencia de bombeo La potencia de bombeo fue calculada en base a la siguiente fórmula: Donde: P bombeo Q H γ = η bomba [5] (1.3) P bombeo Q H γ : Potencia de bombeo. (HP) 3 m 3 : Caudal en m por hora.. h : Carga en metros de columna líquida. : Peso específico del líquido. η bomba : Eficiencia de la bomba Diagnóstico de la situación actual Segregación de petróleo mediante batches Actualmente se utiliza la segregación del crudo mediante batches. Esto consiste en separar los crudos que van a ser transportados por el oleoducto con la finalidad de devolver el crudo a los clientes en las cantidades y calidades similares a las recibidas en las estaciones colectoras. Este proceso se realiza tanto en el almacenamiento como en el transporte. Además se debe controlar el desplazamiento del crudo a lo largo del oleoducto en cada momento y estación por estación, para evitar las mezclas de los crudos. La segregación de crudo en batches tiene por objetivo evitar las mezclas que se puedan producir en el bombeo. Para lograr esto, se debe bombear por batches (volúmenes de

23 14 crudo con calidad similar), los cuales se encuentran separados por raspatubos 5 para evitar que se mezclen los diferentes batches Situación actual El Oleoducto Nor Peruano fue construido en 1974 y fue diseñado para transportar 200 MBPD 6 de petróleo crudo extraído de la Selva, desde las Estaciones N 01, N 05 y de la zona de Andoas. En la estación de inicio del Oleoducto Ramal Norte (Estación Andoas) se recibe la producción del Lote 1AB, que actualmente se encuentra en 30 MBPDO 7 aproximadamente, con un API de 17.9 a 18.1 y una viscosidad F. Operativamente, su bombeo se realiza en forma continua y la calidad de crudo es única en ese ramal. El transporte de la producción proveniente de la Cuenca de Marañón (Estación 01) se realiza mediante la segregación por calidad de crudo, debido a que el menor volumen transportado permite la operación a través de sistema batch, desarrollado anteriormente. En Estación N 01, inicio del Tramo I, se recibe la producción del Lote 8 y el Residual primario de la Refinería Iquitos, conocido como Residual Petroperú. El volumen promedio diario total de hidrocarburo que actualmente se envía de la Estación N 01 hacia la Estación N 05 es 13 MBPDO. Un primer batch de 7.5 MBPDO está conformado por una mezcla de Residual Maquila, Crudo Yanayacu y Crudo Mayna Pesado de propiedad de Pluspetrol, con calidades de 19 API, 20 API y 24.8 API respectivamente; el producto final es una mezcla de API aproximadamente y una viscosidad de C. El segundo batch es de Residual Petroperú que tiene un volumen promedio diario de 3.8 MBPDO con calidad de API y una viscosidad de C. Adicionalmente, en el Tramo I se tiene un tercer batch de un volumen promedio diario de 1.7 MBPDO de crudo de API, 25ºC que es enviado a la Refinería de El Milagro como carga, conocido como Mayna Pesado. Por lo tanto, en el Tramo I actualmente se manejan tres segregaciones, las cuales son bombeadas en batches separados por calidad a la Estación N 05 (Inicio del Tramo II del ONP). En la Estación N 05 (Inicio del Tramo II), punto de convergencia del ORN y el Tramo I, se reciben todos los crudos enviados desde la Estación 01 y de la Estación de Andoas. En esta estación, son almacenados en tanques separados, para luego ser bombeados en batches separados hacia el Terminal Bayóvar con una frecuencia de diez días por mes y un caudal de 140 MBPD aproximadamente. 5 Dispositivos que viajan junto con el crudo y que tienen la función de separar un crudo de otro. 6 MBPD: Miles de barriles por día. 7 MBPDO: Miles de barriles por día operativo.

24 15 Por último, cabe mencionar que en el Terminal Bayóvar también se cuenta con un sistema de desembarque de Buques Tanques, con la finalidad de almacenar Petróleo Crudo Importado para luego enviarlo a las Refinerías de PETROPERU, ésto con el propósito de aprovechar la capacidad de almacenamiento del Terminal Bayóvar y las oportunidades de compra de crudo importado. La frecuencia de desembarques es de aproximadamente una vez al mes en volúmenes variables desde 160 MB hasta 450 MB por embarque. En el Anexo I se puede apreciar los distintos tipos de crudo bombeados en cada tramo del Oleoducto reforzando lo descrito anteriormente. Actualmente, la capacidad utilizada del Oleoducto Nor Peruano equivale a aproximadamente 22.5% de la capacidad instalada, debido a la menor extracción de petróleo crudo de la zona por el decaimiento de los pozos petroleros. Esta situación ha generado disminución en la rentabilidad del negocio de transporte de petróleo crudo por el Oleoducto Nor Peruano, lo cual influye directamente en los resultados de la Empresa. A continuación se puede apreciar los volúmenes de producción de los últimos años en el Oleoducto Nor Peruano. Tabla 1.5. Volumen bombeado por el Oleoducto Nor Peruano VOLUMEN BOMBEADO POR EL OLEODUCTO NOR PERUANO MBDC 8 TRAMO Andoas - Estación Estación01- Estación Estación 05 - Bayóvar De continuar bajo el mismo sistema actual de bombeo, utilizando solo el 22.5% de la capacidad instalada del Oleoducto Nor Peruano (la cual irá disminuyendo con el tiempo debido a la menor extracción de petróleo crudo), se generarán mayores costos de mantenimiento y operación, reflejándose negativamente en los resultados económicos de la Empresa (ver Fig.1.3). 8 MBDC: Miles de barriles por día calendario.

25 16 Fig.1.3. Evolución del volumen de crudo transportado por el Oleoducto Norperuano Evolución del Volumen Transportado por el ONP C a u d a l (M B P D ) En la actualidad, las características del crudo transportado por el Oleoducto Nor Peruano son diferentes a las consideradas en el diseño, con tendencias a empeorar en el tiempo, en cuanto a viscosidad y mayor peso específico (menor gravedad API). En la figura 1.4 se puede apreciar como la calidad va disminuyendo en los últimos años en el lote 1AB en la zona de Andoas. Años Tramo I ORN Tramo II

26 17 Fig.1.4. Evolución de calidad del crudo producido en el Lote 1AB (Estación de Andoas) Evolución de Calidad del Crudo (Lote 1AB) Calidad (API) Año Estas características influyen significativamente en las pérdidas de carga por fricción tanto en la tubería como en el sistema de bombeo. Por otra parte, la proyección de producción futura en la Selva Norte del Perú (Lotes 1-AB de Pluspetrol, 39 de Repsol-YPF y 67 de Barrett) con crudos pesados, teniéndose como alternativa para el transporte de estos crudos hacia la costa el Oleoducto Nor Peruano, hace que las condiciones de diseño en el futuro tendrán que sufrir ciertas modificaciones. Los equipos de bombeo usados actualmente, aparte de su antigüedad (hace casi 30 años que se construyó el Oleoducto Nor Peruano), no se encuentran en la capacidad de bombear crudos altamente viscosos ni grandes caudales de bombeo debido a que sus condiciones de diseño difieren de las condiciones actuales. Las bombas se encuentran fuera de su punto de funcionamiento ideal para el que fueron diseñadas. Durante la operación de estos equipos se presenta un elevado consumo de combustible por parte de los motores y turbinas, además los mantenimientos realizados a los equipos son demasiado costosos. Por lo tanto, desde el punto de vista técnicoeconómico no es conveniente seguir usando los actuales equipos de bombeo. La mayor parte de equipos de bombeo principal en el Oleoducto Nor Peruano son bombas centrífugas, algunas accionadas con motores diesel y otras con turbinas. Las bombas centrífugas no trabajan eficientemente con fluidos viscosos ya que disminuye su punto de funcionamiento, dando mucha menor presión que la que brindaría con algún otro fluido más liviano como puede ser el agua. Técnicamente no es recomendable el uso de este tipo de bombas para el bombeo de fluidos muy viscosos al presentar muy bajos rendimientos como altos requerimientos de potencia. La elevada potencia requerida en el bombeo debido al incremento de viscosidad en los crudos fuerza los equipos, y si bien es cierto, pueden usarse los equipos de stand-by como lo son las turbo bombas en algunos casos, éstas consumen demasiado combustible, lo cual no es favorable económicamente.

27 18 Ante esta situación, las bombas de tipo tornillo presentan un mejor comportamiento al estar específicamente indicadas para bombear fluidos viscosos. En este tipo de bombas se puede operar con flujos fijos a su descarga, aún cuando bombeen contra una red de presión variable convirtiéndolas en excelentes equipos de bombeo a utilizar en redes de recolección de petróleo. En el caso de las bombas centrífugas el flujo entregado depende de la presión a su descarga.

28 Capítulo II Teoría de bombas centrífugas Introducción La bomba es uno de los inventos más antiguos utilizados para convertir la energía mecánica en trabajo útil, sustituyendo el esfuerzo muscular para satisfacer las necesidades del hombre. Las primeras bombas de las que se tiene conocimiento son conocidas de diversas formas, dependiendo de la manera en que se registró su descripción, así se tienen: las ruedas persas, ruedas de agua o norias. Todos estos dispositivos eran ruedas bajo el agua que contenían cubetas que se llenaban con agua cuando se sumergían en una corriente y que automáticamente se vaciaban en un colector a medida que se llevaban al punto más alto de la rueda en movimiento. La más conocida de aquellas bombas, el tornillo de Arquímedes, aún persiste en estos tiempos. Todavía se manufactura para aplicaciones de baja carga, en donde el líquido se carga con basura u otros sólidos. Sin embargo, es probablemente más interesante el hecho que con todo el desarrollo tecnológico que ha ocurrido desde los tiempos antiguos, incluyendo la transformación de la potencia del agua en otras formas de energía, hasta la fisión nuclear, la bomba queda como la segunda máquina de uso más común, excedida apenas por el motor eléctrico Nociones generales Se debe entender por sistema de bombeo a todo el equipo eléctrico, mecánico e hidráulico que interviene en el control, medición y operación de las variables eléctricas, mecánicas e hidráulicas utilizados para la adición de energía a un líquido por medio de un equipo de 9 Este capítulo ha sido desarrollado en base a las referencias [1], [2], [3], [6], [7], [10], [11] y [20].

29 bombeo para ser desplazado de un punto a otro usando una tubería. En la figura 2.1 se ilustra un ejemplo sencillo de un sistema de bombeo, con su bomba respectiva y la tubería que complementan el sistema. Figura 2.1. Esquema de una instalación con bomba centrífuga Sistema de bombeo Las líneas de succión y descarga pueden consistir en líneas sencillas, o en dos o más líneas derivadas de una principal. También un sistema de bombeo puede tener más de una bomba. Cuando se tienen varias bombas, estas pueden estar instaladas, ya sea en serie o en paralelo, o bien en un sistema mixto. Cuando hay más de una bomba en el sistema, el flujo que se establezca, es el resultado del efecto combinado del grupo de bombas. El sistema a través del cual se bombea el líquido ofrece una resistencia al flujo debido a varias razones que pueden ser apreciadas en mayor detalle en el Apéndice A, apartado A.2.8. El establecimiento de un flujo determinado en el interior de un tubo está limitado o restringido por la fricción, ya que la bomba debe vencer la resistencia total del sistema, lo que implica que la resistencia que representa la fricción más la resistencia de la elevación y la diferencia de presiones a los volúmenes de flujo deseados Clasificación de las bombas Las bombas pueden clasificarse sobre la base de las aplicaciones a las que están destinadas, los materiales con que se construyen, los líquidos que mueven y aún su orientación en el espacio. Todas estas especificaciones, sin embargo, se limitan en amplitud y tienden sustancialmente a traslaparse entre sí. Un sistema más básico de clasificación define, en primer lugar, el principio por el cual se agrega energía al fluido, investiga la identificación del medio mediante el que se implementa este principio y finalmente delinea las geometrías específicas comúnmente empleadas. Este sistema se relaciona por lo tanto, con las bombas mismas, y no se relaciona con ninguna consideración externa a la bomba o con los materiales con los que ésta puede estar construida. Bajo este sistema, todas las bombas pueden dividirse en dos grandes categorías: Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas. Bombas cinéticas. En el Anexo II, se muestra la clasificación más detallada de las bombas.

30 Descripción general de las bombas centrífugas Una bomba centrífuga es una máquina rotatoria en el que el flujo y la presión son generados dinámicamente. Consiste de un juego de álabes rotatorios dentro de un alojamiento o carcasa que se utilizan para impartir energía a un fluido por medio de la fuerza centrífuga. La bomba centrífuga básicamente consta de dos partes principales: a) Un elemento rotatorio que incluye un impulsor o rodete y un eje. b) Un elemento estacionario formado por una carcasa, un alojamiento para el empaque y rodamientos. En este tipo de bombas el líquido se fuerza a entrar en un juego de álabes rotatorios mediante la presión atmosférica o cualquier otra clase de presión. Estos álabes constituyen un impulsor que descarga el líquido en su periferia a alta velocidad. Esta velocidad se convierte en energía de presión por medio de una voluta o mediante un juego de álabes estacionarios de difusión rodeando la periferia del difusor En la figura 2.2 se muestra una típica bomba centrífuga con difusor. Fig Bomba centrífuga Las bombas centrífugas presentan otros elementos importantes para su funcionamiento, dentro de los cuales se pueden citar: Estoperos: Tienen como función primordial la protección del eje de la bomba contra la erosión, la corrosión y el desgaste. Presentan unas cajas que protegen la bomba contra fugas en el punto donde la flecha cruza la carcasa de la bomba.

31 22 Anillos de desgaste: Constituyen una junta de escurrimiento fácil y económicamente renovable entre el impulsor y la carcasa. Algunas bombas presentan juntas de escurrimiento en lugar de anillos, rellenándose en caso de desgaste mediante soldadura o algún otro medio. Los anillos pueden ir montados en la carcasa, en el cabezal de succión o en la caja del estopero. Sellos mecánicos: Son utilizados para evitar fugas en la bomba. Se asemeja a un cojinete que involucra un juego en operación muy cerrado, con una película de líquido entre las caras. La lubricación y el enfriamiento proporcionado por esta película reducen el desgaste. Los sellos para las bombas centrífugas no operan satisfactoriamente en el aire o en gases. Pueden usarse en bombas que manejan líquidos con sólidos, así se evita que los sólidos se metan entre las caras del sello o interfieran con la flexibilidad del montaje. En las figura 2.3 y tabla 2.1 se presenta una bomba centrífuga con sus partes principales. Fig Bomba horizontal de voluta Bomba horizontal de voluta, de un solo paso, de doble succión. (Los números se refieren a las partes listadas en la tabla 2-1) Tabla 2.1. Detalle de figura 2.3 Parte Nº Nombre de la parte 1A Carcaza (mitad inferior) 1B Carcaza ( mitad superior) 2 Impulsor 6 Eje de la bomba 7 Anillo de la carcaza 13 Empaque 14 Camisa del eje 16 Cojinete (interior) 17 Prensaestopas

32 23 18 Cojinete (exterior) 20 Tuerca de la camisa del eje 22 Tuerca de cierre del cojinete 29 Jaula de sellado 31 Alojamiento del cojinete (interior) 32 Cuña del impulsor 33 Alojamiento del cojinete (exterior) 35 Cubierta del cojinete (interior) 37 Cubierta del cojinete (exterior) 40 Deflector 42 Acoplamiento (mitad del motor) 44 Acoplamiento (mitad de la bomba) 46 Cuña del acoplamiento 48 Buje del acoplamiento 50 Tuerca de fijación del acoplamiento 52 Birlo del acoplamiento 123 Cubierta posterior del cojinete 125 Grasera ( o aceitera) 127 Tubería de sellado Teoría de las bombas centrífugas Los movimientos de los fluidos en una bomba centrífuga son complejos. Los vectores de velocidad no son paralelos a las paredes de los pasajes de los fluidos y ocurren movimientos secundarios apreciables cerca de la descarga del impulsor y en la sección de difusión. El diseño práctico de las bombas se basa en una aproximación unidimensional que desprecia todos los movimientos secundarios y maneja el flujo principal sobre la base de áreas de flujo disponibles y direcciones que proporcionan las paredes de los conductos Relaciones hidráulicas básicas El proceso de bombeo es básicamente una transferencia de energía entre el rodete y el fluido. El intercambio de energía mecánica y de fluido en las bombas se verifica únicamente en el rodete. Los restantes órganos de la máquina por donde circula el fluido son sólo conductos o sólo transformadores de una forma de energía que ya posee el fluido. El intercambio de energía se verifica por una acción mutua (acción y reacción) entre las paredes de los álabes y el fluido Triángulos de velocidad La velocidad de un fluido se representa por medio de un vector. La longitud del vector da la magnitud de la velocidad en pies por segundo y la dirección del vector es tangencial a la línea de corriente. Se considera el triángulo de velocidades a la salida del rodete según la figura 2.4, donde c r r 2 es la velocidad absoluta de salida, c 2 r representa la proyección de la velocidad absoluta de salida sobre el radio, es decir la componente meridional del vector c r 2. Además w r 2 es la velocidad relativa y u r 2 la velocidad periférica.

33 24 Figura 2.4. Diagramas de velocidad Diagramas de velocidades de entrada y salida en un impulsor de bomba centrífuga Intercambio de energía en el rodete La acción resultante del rodete sobre el fluido será una fuerza cuyo valor puede ser calculado mediante el principio de la cantidad de movimiento. El par motor que se requiere para mover un impulsor es igual al cambio de momento de momentum del fluido que pasa a través del impulsor. Una vez calculada la fuerza y su momento con relación al eje de la máquina, el cálculo de la energía que la máquina comunica al fluido es inmediato. De la misma manera por el principio de acción y reacción se obtiene la energía que el fluido comunica a la máquina. La ecuación que expresa la energía por unidad de masa intercambiada en el rodete es la ecuación de Euler, en la que se basa no sólo el funcionamiento de las bombas centrífugas, sino el de otras turbomáquinas. Esta ecuación constituye una base analítica para el diseño del rodete, es decir constituye una guía teórica para encontrar la geometría más adecuada a las condiciones de funcionamiento requeridas en la máquina a proyectar, ya sea bomba o turbina. Es considerada la ecuación fundamental al revelar gran parte de lo que sucede en el rodete.

34 25 La energía que el fluido intercambia con el rodete puede ser de dos clases: p a) Energía de presión por unidad de masa ρ 2 c b) Energía cinética por unidad de masa 2 (2.1) (2.2) Donde: p : presión (Pa). ρ : densidad kg 3. m m. c : velocidad ( ) s Ecuación de Euler para un impulsor Para la deducción de la ecuación de Euler se harán cuatro hipótesis que limitan la validez de esta ecuación al régimen permanente, al flujo ideal, irrotacional y unidimensional. (Ver Apéndice A, apartado A.2.1.1) En la Fig. 2.4 se puede apreciar el esquema del rodete de una máquina hidráulica en general. Una partícula del fluido entra en el rodete con velocidad absoluta c r 1 y sale del rodete con la velocidad absoluta c r 2. La trayectoria de la partícula en el rodete constituye una línea de corriente a la cual se le puede aplicar el teorema de la cantidad de movimiento. La variación de la velocidad (y cantidad de movimiento) axial en el eje origina una fuerza axial que deberá ser contrarrestada por el cojinete de apoyo. Ninguna de las dos tiene influencia alguna en el movimiento de giro del eje (al prescindir del aumento de fricción en los cojinetes). Se aplica el teorema del momento cinético de una línea de corriente sabiendo que el momento de las fuerzas que actúan sobre una línea de corriente entre dos superficies transversales de control es igual a la variación del momento cinético del fluido aislado entre dichas superficies. Dichas superficies se establecen en la entrada y salida del rodete, puntos 1 y 2 en la figura 2.4 mostrada anteriormente. En la figura 2.5 se puede apreciar el triángulo de velocidades a mayor detalle.

35 26 Fig Triángulo de velocidades C Cm Cu El momento de las componentes radiales y axiales a la entrada y salida de la máquina de la velocidad y de la cantidad de movimiento es nulo, el de las componentes radiales por cortar al eje de momento y el de las axiales por ser paralelas al mismo; por lo tanto el momento total será igual al correspondiente a la velocidad periférica c2 u = c2 cosα 2. Entonces se tiene la ecuación 2.3. Donde: ( r c r c ) = dg ( r c r c ) ρ (2.3) dm = dq 2 2u 1 1u 2 2u 1 1u dm (reacción) : Momento de las fuerzas exteriores que actúan sobre el fluido aislado dm (acción) : Momento de las fuerzas que el fluido aislado ofrece sobre el exterior. r 1, r 2 : Radios o brazos de momento de las componentes periféricas c2 u y c1 u dg : Gasto o flujo másico. De la ecuación (2.1) se deduce: ( r c r c ) dm dg 1 1u 2 2u = (2.4) Integrando para todas las líneas de corriente del rodete, se tiene: M = 1 1u 2 2u ( r c r c ) dg Tomando en cuenta las hipótesis dadas al inicio se obtiene lo siguiente: (2.5) r c = 1 1u cte (Al ser el flujo de régimen permanente, ideal e irrotacional) α1el mismo para todas las partículas (Al ser el flujo unidimensional) y lo mismo a la salida. Con estas hipótesis se tiene: ( r c r c ) M G 1 1u 2 2u Al ser fluido incompresible, Q ( r c r c ) = (2.6) M 1 1u 2 2u = ρ (2.7) En resumen M es el momento mecánico transmitido por el fluido al rodete. La potencia mecánica transmitida por el fluido al rodete será:

36 27 ( r ω c r c ) = G ( u c u c ) = ω ω P M = G 1 1u 2 2u 1 1u 2 2u (2.8) Igualando la potencia mecánica a la ecuación (A.38) (ver Apéndice A), se tiene la siguiente expresión. Donde : H u : altura útil (m). 1 = ( u c u c ) (2.9) g H u 1 1u 2 2u u 1 : velocidad periférica a la entrada ( m ) u 2 : velocidad periférica a la salida ( ) c 1 : velocidad absoluta a la entrada ( ) c 2 : velocidad absoluta a la salida ( ) s m s m s m s m s g : aceleración de la gravedad ( 2 ) Analizando los signos de la ecuación (2.9), se tiene que: ( u 1 c1 u u2 c2u ) 0, la máquina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica perdiendo altura hidráulica el fluido. ( u 1 c1 u u2 c2u ) 0, la máquina absorbe energía mecánica y restituye energía de fluido, y el fluido adquiere altura hidráulica. Por lo tanto, para el caso de las bombas centrífugas que necesita una unidad generadora de potencia mecánica para transferir la energía al fluido se tiene que la ecuación de potencia mecánica quedaría de la siguiente manera: 1 = g ( u c u c ) H u 2 2u 1 1u (2.10) Comportamiento de las bombas centrífugas Las características más importantes de operación de las bombas centrífugas son las siguientes: Capacidad Carga Potencia Eficiencia Las variables que influyen sobre estas características son la velocidad (n) y el diámetro del impulsor (D). Se ha supuesto que todas las demás dimensiones del impulsor y de la carcasa se han fijado. La velocidad específica (n s ) es un parámetro que clasifica a los impulsores de

37 28 acuerdo con la geometría y las características de operación. El valor en condiciones de operación que corresponde a la mejor eficiencia se llama velocidad específica del impulsor y generalmente es el valor de interés. Capacidad: La capacidad de la bomba Q (caudal) es el volumen de fluido por unidad de tiempo entregado por la bomba. El caudal es uniforme y este disminuye cuando aumenta la altura a bombear siguiendo una curva característica de cada bomba representado en la figura 2.6. Figura 2.6. Curva característica de una bomba centrífuga Carga: La carga de la bomba H representa el trabajo neto realizado por la unidad de peso de un fluido pasando por una brida de entrada o de succión S, a la brida de descarga D. Está dada por la siguiente expresión: En esta expresión: 2 2 vd pd vs ps H = + z D + ( + zs + ) (2.11) 2 g γ 2 g γ 2 v = 2 g D H D + z D + 2 v = 2 g z S H S + S + pd γ ps γ representa la carga de descarga o salida. representa la carga en la entrada o en la succión. El término H recibe el nombre de cabeza de la bomba; carga total de la bomba o altura dinámica total. El término γ p es la carga de presión y representa el trabajo necesario para mover la unidad de peso de un fluido a través de un plano arbitrario perpendicular al vector de velocidad V contra la presión p. 2 v EL término es la carga de velocidad y representa la energía cinética de la unidad de 2 g peso de un fluido moviéndose con velocidad v.

38 29 El término z es la carga de elevación o carga potencial y representa la energía potencial de la unidad de peso del fluido con respecto a la referencia escogida. La presión en cualquier punto de un líquido puede interpretarse como la causada por una columna vertical del líquido, el cual, debido a su propio peso, ejerce una presión igual a la presión en el punto en cuestión. La altura de esta columna es llamada la altura estática y está expresada en metros del líquido. La altura estática correspondiente a cualquier presión específica es dependiente del peso del líquido de acuerdo a la siguiente expresión: 2 Presión en kg/cm Altura en metros = (2.12) Gravedad específica Potencia: La energía de salida de la bomba se da generalmente como potencia líquida o potencia de agua, si el líquido bombeado es agua. La potencia absorbida aumenta con el peso específico del líquido. Eficiencia: La eficiencia η de la bomba es la potencia hidráulica dividida entre la energía de entrada al eje de la bomba. La última se llama, generalmente, la potencia al freno (BHP). Las bombas se diseñan para operar en un punto de máxima eficiencia. La carga, potencia y capacidades en la máxima eficiencia se llaman con frecuencia los valores nominales ( H n, P n y Q n ). A veces una bomba puede operar en forma continua a una capacidad ligeramente por arriba o por debajo de Q n. En tales casos, el punto real de operación se llama punto nominal o de garantía si el fabricante especifica esta capacidad en la garantía. No es frecuente operar una bomba continuamente a una capacidad en la cual la eficiencia se encuentra por debajo del valor máximo. La bomba puede dañarse seriamente si se opera continuamente fuera de las condiciones de diseño Curvas características El desempeño de una bomba para una velocidad de rotación del impulsor y viscosidad del líquido dado involucra tres parámetros básicos: 1) Capacidad: expresada en unidades de volumen por unidad de tiempo (Caudal). 2) Cabezal total: expresado en unidades de longitud de una columna del líquido a ser bombeado. 3) La velocidad a la cual opera la bomba: expresada, generalmente, en revoluciones por minuto (rpm). Normalmente, el desempeño o las características de una bomba son presentados por el fabricante en forma de curvas como las mostradas en la figura 2.7. Estas curvas corresponden siempre a la misma velocidad de la bomba, al mismo impulsor y generalmente son obtenidas con agua a temperatura ambiente y en ellas se muestran las siguientes relaciones: - Cabeza o Altura vs. capacidad (H - Q). - La curva de eficiencia de la bomba vs. capacidad (η - Q). - Potencia al freno vs. capacidad (BHP- Q).

39 30 La capacidad a la cual una bomba realiza su función de la manera más eficiente es conocida como el punto de máxima eficiencia o B.E.P. ( Best Efficiency Point ). Figura 2.7. Curvas características de las bombas centrífugas a) Curva de cabeza o altura vs. capacidad (H- Q) Al gráfico de la altura en función del caudal para una bomba se le llama Curva característica de la bomba. La vía experimental para determinar la curva característica de una bomba es la siguiente: Por cada caudal se mide la presión de salida p (a la brida de salida) y la presión de entrada p (a la brida de entrada), luego se calcula H según la relación: E p s p H = E γ s (2.13) La curva característica de la bomba pasa por el punto que corresponde al caudal de diseño y a la altura útil de diseño, tal como se muestra en la figura 2.7. b) Curva de eficiencia vs capacidad (η - Q) La eficiencia total está calculada por la siguiente relación: Q H γ η = BHP (2.14) Habiendo determinado H y Q experimentalmente para Q = 0 resulta η= 0, además por el valor del caudal para el caudal H = 0, resulta todavía η= 0. El caudal por el cual la eficiencia es máxima corresponde al caudal de diseño de la bomba. Generalmente, después del punto de máximo rendimiento la curva característica baja muy rápidamente, tal como se indicó en la figura 2.7.

40 31 c) Curva de potencia vs capacidad El término potencia se refiere a la potencia entregada al eje de la bomba. Esta curva está determinada experimentalmente, midiendo por cada caudal la potencia entregada al eje. Los puntos graficados en la figura 2.7 son valores de potencia al freno Operación de las bombas Se pueden arreglar dos o más bombas para la operación en paralelo o serie para lograr una amplia gama de requerimientos de la manera más económica Operación en serie Este tipo de operación se usa cuando se desea proporcionar cargas o alturas mayores a las proporcionadas por las bombas individuales. En esta operación las cargas de las bombas se suman para obtener la curva combinada carga capacidad. La eficiencia total de las bombas en serie está dada por la siguiente expresión: En donde: ρ r Q η = 3960 H P [1] (2.15) ρ r : Densidad relativa H : Suma de alturas o cargas, en pies, de las bombas individuales. Q : Capacidad de la bomba individual (gpm) P : Potencia total suministrada a las bombas (HP) Operación en paralelo Este tipo de operación se utiliza cuando se desea cumplir con una demanda de caudal. Operando de este modo se incrementa la capacidad, debido a que los caudales o capacidades de cada una de las bombas se suman para obtener el caudal resultante, teniendo en cuenta que la altura será un valor constante para cada una de las bombas. Cualquier número de bombas en paralelo, se puede incluir en un único diagrama. No hay un máximo determinado de bombas en paralelo a usar, todo depende de la capacidad requerida. Aunque es necesario evaluar si añadiendo una bomba más en paralelo, la capacidad entregada varía notablemente.

41 32 La eficiencia total expresión: η de las bombas en este tipo de conexión está dada por la siguiente ρ r H η = 3960 Q P [1] (2.16) En donde: ρ r : Densidad relativa. H : Altura o carga, en pies, de las bomba. Q : Capacidad de la bomba individual (gpm) P : Potencia total suministrada a las bombas (HP) Factores que afectan al funcionamiento de las bombas Gravedad específica (γ) La capacidad de la altura de impulsión total no será afectada por cambio alguno de γ de líquido bombeado. Sin embargo, como sea que la presión desarrollada en kg/cm 2 y la potencia al freno para accionar la bomba son función de la s del líquido, ambos serán afectados en proporción directa por cualquier cambio de la γ; por tanto, todo cambio de la γ afectará la presión de descarga y podría sobrecargar la máquina accionadora de la bomba Viscosidad (µ) La bomba se ha diseñado para dar una capacidad específica a la altura de impulsión indicada para un líquido con una viscosidad en particular. Si se quiere emplear la bomba con un fluido que tiene una viscosidad diferente a la de diseño, se deben realizar las respectivas modificaciones, principalmente en sus curvas de operación. El método a seguir se desarrollará posteriormente Velocidad de bombeo Si se cambia la velocidad de una bomba centrífuga, esto cambiará la capacidad, la altura de impulsión total, y los HP al freno. La capacidad variará en función directa con la velocidad, mientras que la altura de impulsión variará de acuerdo con la relación de la velocidad cuadrada. Los HP al freno variarán según la relación de la velocidad cúbica, excepto en los casos en que el cambio de velocidad también reduzca la eficiencia de la bomba. Las siguientes expresiones corresponden a la Ley de afinidad de bombas. Q 1 = Q 2 n n 1 2 (2.17) H H 1 2 n = n (2.18)

42 33 BHP1 BHP 2 n = n (2.19) Donde los subíndices 1 son los puntos originales de trabajo de la bomba centrífuga y los subíndices 2 son las nuevas condiciones de trabajo. Para utilizar adecuadamente las leyes de afinidad de bombas, se debe tener en cuenta lo siguiente: - Deben usarse únicamente cuando se tiene una presión de succión (NPSH) adecuada para evitar el efecto de cavitación. - Estas leyes se verifican exactamente con fluidos de baja viscosidad como el agua y los aceites ligeros. - Deben aplicarse a bombas centrífugas de dimensiones y velocidades razonablemente grandes (impulsores mayores de 4 pulgadas de diámetro y velocidades mayores de 1000 rpm) Altura de succión positiva neta (NPSH) Todo líquido, caliente o frío, debe ser empujado dentro del impulsor de la bomba por alguna presión absoluta, como por ejemplo la atmosférica desde la cual la bomba toma su succión. La altura en pies del líquido necesaria para empujar el flujo requerido dentro de la bomba se denomina altura de succión positiva neta. Este valor se mide por encima de la presión de los valores del líquido en la temperatura de bombeo. Hay dos clases de NPSH: el NPSH requerido por la bomba, y como se muestra en las curvas de las bombas es la altura que se necesita para cubrir las pérdidas en la succión de la bomba. El segundo NPSH es el que está disponible en el sistema, teniendo en cuenta la pérdida por fricción en las tuberías de succión, válvulas, accesorios, etc. En todos los casos, el NPSH disponible, medido por encima de la presión de vapores, debe ser superior a la altura de succión positiva neta requerida para empujar el líquido dentro de la bomba. El NPSH se mide en la brida de succión de la bomba y se refiere a la línea central de la bomba Puntos de funcionamiento El punto de operación hace referencia al punto al cual trabajará el sistema de bombeo, es decir el punto de diseño. Para obtener el punto de funcionamiento se grafican: la curva característica de operación de una bomba centrífuga, es decir la curva de carga contra capacidad y la curva de operación del sistema de bombeo dado; con ello se puede determinar gráficamente el flujo bajo unas condiciones en las cuales trabajará el sistema. Las dos curvas se intersecan en un valor del flujo, donde son iguales la carga de la bomba y la carga requerida por el sistema. Cuando se va a comprar una bomba se debe especificar que la curva de operación de la bomba intercepte la curva de operación del sistema en un valor deseado del flujo. Esta

43 34 intersección debe estar localizada de tal manera que corresponda al de máxima eficiencia de la bomba o en un punto más próximo. A este punto de intersección se le da el nombre de punto de operación o de funcionamiento y es mostrado en la figura 2.8. Donde Q *, punto de intersección de las dos curvas, es el caudal nominal o caudal al cual el sistema trabajará. Figura 2.8. Punto de operación o punto de funcionamiento de una bomba centrífuga Corrección de curvas características por viscosidad y velocidad A continuación se describen los procedimientos que se siguen para corregir las curvas características de una bomba centrífuga para agua (cabeza, eficiencia y potencia vs. caudal) y así elaborar las curvas correspondientes para el bombeo de otros tipos de fluidos cuya viscosidad y gravedad específica son diferentes a las del agua Corrección por viscosidad Cuando se dimensiona o evalúa la perfomance de una bomba es necesario tener en cuenta la viscosidad. Las principales pérdidas en una bomba centrífuga son por fricción. Estas pérdidas varían con la viscosidad del líquido de manera que las características (Q, H, η ) difieren de las obtenidas con agua; además de que las curvas presentadas en los catálogos por los vendedores son preparadas en base al agua -como fluido- y en muchos casos los fluidos a bombear son mucho más o menos viscosos que el agua.

44 35 Definitivamente, no es lo mismo bombear mantequilla que bombear agua, por lo tanto la viscosidad es un parámetro muy importante a la hora de seleccionar correctamente la bomba a utilizar Método convencional Las figuras 2.9 y 2.10 se usan para determinar el funcionamiento de la bomba con líquidos viscosos cuando las características para agua son conocidas.

45 36 Fig Factores de corrección por viscosidad para bombas de capacidad mayor de 100 GPM

46 Fig Factores de corrección por viscosidad para bombas de capacidad menor de 100 GPM 37

47 38 Para utilizar las tablas mostradas en las figuras anteriores se entra al ábaco con el valor del caudal (GPM), se continúa verticalmente hasta cortar la recta de la altura de elevación correspondiente, luego horizontalmente se busca la recta de la viscosidad requerida; de éste punto de intersección se sigue en forma vertical hasta cortar las curvas de los coeficientes de corrección (C Q, C H, C E ). Los valores así obtenidos se multiplican por el caudal, altura y rendimiento dados para agua, obteniéndose los valores correspondientes al líquido viscoso. Para el caso de bombas multi-etapas es necesario tener en cuenta que la altura a ingresar es por etapa más no total. Además para el caso de la corrección de C H, los factores utilizados aseguran un cálculo correcto entre el 60% y 120% del caudal nominal; para otros valores de caudal es válido la interpolación y extrapolación entre los valores obtenidos. Es necesario destacar que las correcciones dadas por las figuras 2.9 y 2.10 son aproximadas y se aplican solamente a bombas centrífugas de diseños convencionales con rodetes abiertos o cerrados. No se obtienen buenos resultados cuando las correcciones son aplicadas a flujos axiales o mixtos Aproximación numérica [7] Esta aproximación consiste en reemplazar el método tradicional y obtener directamente los factores de corrección a través de una serie de ecuaciones polinomiales que facilitan el cálculo. Si bien es cierto presentan un margen de error, nos dan una idea de los valores obtenidos. Para esta aproximación es necesario definir un término conocido como pseudo-capacidad que viene representado por la siguiente ecuación: Donde: υ (cst) : H (pies) : Q (gpm): P υ Viscosidad del fluido. Altura nominal por etapa. Caudal nominal ( H ) 0.5 = 1.95 Q (2.20) La pseudocapacidad es utilizada en el siguiente polinomio: C x = D x1 + Dx 2 P + Dx3 P + Dx 4 P + Dx5 P + Dx6 P (2.21) Donde: C x : Es el factor de corrección a calcular. D x : Coeficientes polinomiales mostrados en la tabla 2.2 P : Pseudocapacidad.

48 39 Tabla 2.2. Coeficientes polinomiales C η C q D x1 D x2 D x3 D x4 D x5 D x E E E C h E E C h E E-09 C h E E C h E E-08 Los alcances de estos factores de corrección son exactamente los mismos que en el método mencionado anteriormente Corrección por velocidad Conociendo la característica de una bomba que trabaje a una velocidad rpm 1 puede obtenerse con facilidad y en detalle la característica que corresponde a una velocidad cualquiera igual a RPM 2. Para realizar las correcciones por cambio de velocidad en las bombas centrífugas se usan las ecuaciones de Ley de afinidad de bombas, descritas anteriormente en las ecuaciones 2.17, 2.18 y 2.19.

49 Capítulo III Teoría de bombas de tornillo Bombas de desplazamiento positivo Dentro de la clasificación de bombas mencionada en el capítulo anterior, las bombas de desplazamiento positivo o volumétrico forman un grupo muy importante. Dichas bombas están basadas en el principio de la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras, las que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se denominan bombas volumétricas. En dichas bombas el desplazamiento líquido se realiza mediante el proceso de desalojamiento periódico del líquido a través de las cámaras de trabajo por medio de los desplazadores. La cámara de trabajo de la bomba volumétrica es el espacio que comunica periódicamente tanto la cavidad de aspiración durante la carga como la aducción (de descarga) durante la impulsión. Pueden tener una o varias cámaras de trabajo. El desplazador es el órgano de trabajo de la bomba que realiza directamente la expulsión (y a veces la aspiración). El número de desplazadores puede ser igual al número de cámaras de trabajo o menor que este último. De esta forma, el funcionamiento de la bomba volumétrica consiste en el paso periódico de determinados volúmenes de líquido de la cavidad de aspiración a la de descarga, con el aumento simultáneo de la presión. Por consiguiente, el paso del líquido por la bomba volumétrica, a diferencia del paso por la del tipo centrífugo, es siempre más o menos irregular, por lo cual se considera, generalmente, el promedio del paso del líquido en el tiempo. 10 Este capítulo ha sido desarrollado en base a las referencias [1], [3], [4], [8], [9], [12], [17] y [19].

50 Otra particularidad de la bomba volumétrica consiste en que la cavidad de aspiración está siempre aislada herméticamente de la descarga. Además, la hermeticidad puede ser absoluta o relativa (en la práctica). En este último caso, se admite la posibilidad de un pequeño escurrimiento o filtración del líquido a través de las holguras en una cantidad pequeña en comparación con el suministro de la bomba. Es importante indicar la propiedad de autoaspiración, es decir que al funcionar con aire (sin líquido) son capaces de crear un vacío muy grande y succionar el líquido por la tubería de aspiración de recipientes dispuestos más bajos que la bomba, con la condición que la altura geométrica de aspiración no sobrepase valores límites que dependen de las características de la bomba considerada. En la práctica, las bombas volumétricas pierden frecuentemente la propiedad de autoaspiración debido a una hermeticidad insuficiente o reducido número de revoluciones. Difieren de las bombas centrífugas en que el elemento propulsor para éstas es el impulsor o rodete, no conteniendo elementos móviles como son los desplazadores. En la figura 3.1 se muestra una bomba de desplazamiento positivo del tipo de pistón usada en trabajos de perforación. Fig Bomba de desplazamiento positivo Bomba de pistón Marco teórico De acuerdo al principio de funcionamiento de las bombas volumétricas indicado anteriormente, es posible anotar una expresión común para el caudal teórico. Se entiende por caudal teórico o geométrico de la bomba al suministro de líquido incompresible, siendo la hermeticidad de la bomba absoluta y el funcionamiento normal sin cavitación. De esta forma se tiene: ( m ) V n v n z = = (3.1) s Q t 3

51 43 Donde: m 3. s Q t : Caudal teórico ( ) V: Volumen de trabajo de la bomba ( 3 m ). v: Es el volumen útil de cada cámara de trabajo en una vuelta del eje de la bomba ( z: Número de cámaras de trabajo. n: Número de rpm del eje de la bomba. V y z toman distintas formas dependiendo del tipo y construcción de la bomba. 3 m ). Se puede observar que el caudal teórico no depende de la presión o altura creada por la bomba, por lo cual su característica en el sistema de coordenadas Presión vs Caudal con n constante, queda representada por una recta paralela al eje de ordenadas. En la figura 3.2 se puede apreciar la gráfica Presión versus Caudal. Fig Curvas características H H Curvas características teórica y real de una bomba de desplazamiento positivo Clasificación de las bombas de desplazamiento positivo Las bombas de desplazamiento positivo pueden clasificarse dependiendo de la forma en que se desplaza la parte móvil de éstas; si el desplazamiento es rectilíneo y alternado, entonces se llaman oscilantes o de émbolo; y si el elemento móvil gira se denominan rotativas Bombas de émbolo Q La bomba de émbolo o de potencia es aquella en que el líquido se desaloja de las cámaras de trabajo sólo por medio del movimiento de vaivén de los desplazadores respecto a estas Q

52 44 cámaras. Dicho movimiento se realiza más a menudo mediante el mecanismo de biela y manivela, pero se emplean también otros (levas, excéntricas, etc.). La capacidad de la bomba varía de acuerdo al número de émbolos o pistones. En general, mientras mayor es el número de émbolos, menor es la variación en capacidad a un número dado de rpm. La bomba se diseña para una velocidad, presión, capacidad y potencia específicas. En las bombas de émbolo es característico la existencia de válvulas de aspiración y de impulsión que regulan el movimiento del líquido por la cámara de trabajo. Cuando la cámara de trabajo se va llenando de líquido, la válvula de aspiración está abierta y la de impulsión cerrada. Durante el desalojamiento del líquido (impulsión), cuando el desplazador va en sentido contrario, la válvula de aspiración está cerrada, y la de impulsión abierta. Estas válvulas son generalmente de acción, es decir, se abren sólo por la acción del gradiente de presión y se cierran por efecto de su propio peso o la acción de un resorte. Según el número de cámaras de trabajo, las bombas de émbolo se dividen en: de simple efecto, doble efecto, de triple efecto, etc. En la figura 3.3 se muestra una bomba de émbolo de simple efecto. Fig.3.3. Esquema de bomba de émbolo de simple efecto Si el nivel de fabricación de las bombas de émbolo es bueno, ellas pueden crear presiones muy altas que llegan a decenas, centenas y en algunos casos a millares de atmósferas. Sin embargo, este tipo de bombas puede ser utilizado solamente con un número de revoluciones comparativamente pequeños ( rpm). Si las revoluciones son muy altas, se altera el funcionamiento normal de las válvulas de aspiración e impulsión. Debido a la marcha lenta, las dimensiones de la bomba de émbolo resultan considerablemente mayores que las de la bomba centrífuga, calculada para los mismos parámetros (caudal y presión). Por esta razón, en el caso del abastecimiento de agua y muchas otras aplicaciones industriales, las bombas de émbolo son sustituidas por las centrífugas Bombas rotativas Las bombas rotativas pertenecen a la clase de bombas volumétricas, las que actualmente encuentran una amplia aplicación en la construcción de máquinas. Son ejemplos de éstas

53 45 las bombas rotativas, de engranajes, tornillos, aletas, rotativa de émbolo, etc. En este tipo de bombas, la acción principal de bombeo es originada por el movimiento relativo entre los elementos rotatorios de la bomba y los estacionarios. Su movimiento rotatorio las distingue de las bombas alternativas de desplazamiento positivo en las que el movimiento principal de los elementos en movimiento es alternativo. La naturaleza del desplazamiento positivo de su acción de bombeo las distingue de la clase general de bombas centrífugas en que el desplazamiento del líquido y la acción de bombeo depende en gran parte de la velocidad desarrollada del líquido. Las bombas centrífugas están diseñadas para crear presión como resultado de las fuerzas centrífugas y normalmente manejan grandes volúmenes de fluido a presiones relativamente bajas. Al presentar cambios en la presión de descarga de la bomba, el caudal obtenido varía notablemente. Por lo general, las bombas centrífugas no son utilizadas para bombear fluidos de viscosidades elevadas. Sin embargo, las bombas rotativas basan su funcionamiento en la combinación del movimiento rotatorio, típico de las bombas centrífugas, con el desplazamiento positivo típico de las bombas de émbolo. Al ser un equipo de desplazamiento positivo, entrega una cantidad de caudal constante, independiente de la presión de descarga a la que se esté trabajando. Estos equipos se encuentran diseñados para trabajar con cualquier tipo de fluido y tienen como ventaja o plus el de mejorar su eficiencia al trabajar con fluidos altamente viscosos, debido a esto se le conoce como el caballo de fuerza de la industria. Es característica de una bomba rotativa como una bomba de desplazamiento positivo, que el líquido desplazado en cada revolución sea independiente de la velocidad. Otra característica de las bombas rotativas, es la de mantener un sello continuo de líquido entre los orificios de entrada y salida. Por lo tanto, las bombas rotativas, generalmente, no requieren de arreglos de válvulas de entrada y salida, como lo hacen las bombas alternativas Partes de una bomba rotativa a) Cámara de bombeo: Se define generalmente como el espacio interior de la bomba que puede contener el fluido bombeado, mientras la bomba esté en operación. Los fluidos entran a la cámara de bombeo a través de uno o más orificios de entrada y la abandonan a través de uno o más orificios de salida, los cuales incluyen, generalmente, arreglos para conexiones herméticas, a prueba de líquidos o a prueba de aire, a los sistemas exteriores del fluido. b) Cuerpo: Es la parte de la bomba que rodea los límites de la cámara de bombeo y se llama a veces carcasa o alojamiento. En algunas bombas rotativas el cuerpo puede ser un ensamble rotatorio, pero en la mayoría de los tipos es estacionario, y a veces llamado estator. c) Placas extremas: Son aquellas partes del cuerpo o separadas de él que cierran los extremos de éste para formar la cámara de bombeo. A veces, llamadas cubiertas de la bomba.

54 46 d) Ensamble rotatorio: Generalmente incluye todas las partes de la bomba que giran cuando la bomba está en operación. e) Rotor: Es la parte específica del ensamble rotatorio que gira dentro de la cámara de bombeo. Se les suele llamar engranes, tornillos o lóbulos dependiendo del tipo de bomba rotativa que se tenga. f) Sellos: Los sellos de las bombas son de dos tipos: estáticos y móviles. Los sellos estáticos proporcionan un sello hermético a prueba de líquido o aire entre las partes estacionarias desmontables de la cámara de bombeo y los sellos móviles se usan en los lugares limitantes de la cámara de bombeo, a través de la cual pasan los elementos móviles, generalmente los ejes. Los sellos móviles también se colocan entre los rotores de la bomba en algunos tipos de bombas rotativas. El proceso de trabajo de cada elemento de la bomba rotativa consta de tres etapas: i) Las partes rotatorias y estacionarias de la bomba actúan para definir un volumen sellado a la salida de la bomba y abierto a la entrada, el cual crece a medida que los elementos rotatorios de la bomba giran. ii) Después, los elementos de la bomba establecen un sello entre la entrada de la misma y parte de este volumen, y hay un momento, aunque corto, en que este volumen no está abierto ni a las partes de entrada ni a las de salida de la cámara de bombeo. iii) Finalmente, el sello hacia la salida de la cámara se abre y el volumen abierto hacia la salida es forzado por la acción conjunta de los elementos en movimiento y los estacionarios de la bomba Tipos de bombas rotativas Las bombas rotativas se clasifican según el dispositivo que lleven dentro de la cámara de trabajo. Pueden ser tornillos, engranajes, paletas, pistón o émbolo rotativo, lóbulos, etc. A continuación se presenta una breve descripción de los tipos de bombas rotativas más importantes, a excepción de las bombas tipo tornillo, las que serán analizadas a detalle en otro apartado debido a que constituyen la parte central de esta tesis. a) Bombas de paletas Las bombas de paletas consisten en un conjunto de cuatro o más aletas con cinemática plana (radial), ver Fig 3.4; el rotor es un cilindro hueco con ranuras radiales en las que oscilan o deslizan las paletas, llamados desplazadores. Fig.3.4. Esquema de una bomba de paleta

55 47 El rotor va dispuesto en forma excéntrica respecto a la superficie interior del estator que es cilíndrica, debido a lo cual, las paletas durante la rotación del anterior realizan movimientos alternativos o de vaivén. Bajo la acción de la fuerza centrífuga, las paletas se aprietan con sus extremos libres a la superficie interior del estator y deslizan por éste, al tiempo que los extremos interiores de dichas aletas se desplazan sobre el eje de giro. El líquido llena un espacio, que es el comprendido entre dos paletas vecinas y las superficies correspondientes del estator y del rotor. Este espacio es la cámara de trabajo, cuyo volumen crece durante el giro del rotor hasta alcanzar un valor máximo, y después, se cierra y se traslada a la cavidad de impulsión de la bomba, comenzando al mismo tiempo el desalojo del líquido de la cámara de trabajo en una cantidad igual a su volumen útil. b) Bombas de engranajes La bomba de engranajes consiste en dos ruedas dentadas iguales, ajustadas al cuerpo de la bomba o estator, ver figura 3.5. El rotor es la rueda conductora, mientras que el órgano móvil o elemento desplazante, es la conducida. Como el espacio entre elementos y la carcasa es extremadamente pequeño y el material que es bombeado actúa como agente lubricante, la bomba nunca girará en seco. Estas bombas no están diseñadas para transportar sólidos, y por regla general llevan filtros en la línea de succión. Se accionan por un motor eléctrico y giran a elevada velocidad. En la cavidad de aspiración, el líquido llena los espacios entre los dientes de ambas ruedas dentadas, y después, estos volúmenes se aíslan y desplazan por unos arcos de circunferencia a la parte de descarga de la bomba. Al engranar los dientes entre sí, cada uno de ellos entra en el que le corresponde, desalojando al mismo tiempo el líquido contenido en el mismo; como el volumen del hueco es mayor que el del diente que engrana, una cierta porción de líquido retornará a la cavidad de aspiración. Estas bombas pueden crear presiones entre 100 y 150 atm. Para obtener presiones más elevadas, se utilizan, a veces, bombas de engranajes de etapas múltiples, es decir, se hace un montaje de varias bombas de engranajes acopladas en serie, originándose así una mayor altura de presión que es igual a la suma de las alturas manométricas correspondientes a las diversas etapas; para garantizar el llenado, el suministro de cada etapa anterior debe ser mayor que el caudal impulsado por la siguiente. Fig.3.5. Esquema típico de una bomba de engranajes

56 48 c) Bombas de lóbulos La bomba de lóbulos recibe su nombre gracias a la forma redondeada de las superficies radiales del rotor que permiten que los rotores estén continuadamente en contacto entre sí a medida que giran. En la figura 3.6 se puede apreciar una bomba de lóbulos simples. A diferencia de las bombas de engranajes, ni el número de lóbulos ni su forma permite que un rotor impulse al otro, y las verdaderas bombas de lóbulos requieren de engranes sincronizadores. Fig.3.6. Esquema típico de una bomba de lóbulos Características de operación de las bombas de desplazamiento positivo. Para mayor claridad, se supone que el líquido bombeado es un líquido verdadero de viscosidad newtoniana tal, que el fluido es incompresible y que la resistencia del fluido al corte está en proporción directa a la velocidad de corte. a) Desplazamiento de la bomba (D) El desplazamiento (D) de una bomba rotativa es el volumen de fluido total neto transferido del volumen de entrada abierta al volumen de salida abierta durante una revolución completa del rotor motriz. Para cualquier bomba dada, el desplazamiento depende sólo de de las dimensiones físicas de los elementos de la bomba y de su geometría, y es independiente de otras condiciones de operación. En aquellas bombas diseñadas para desplazamiento variable, la bomba normalmente se clasifica de acuerdo con su máximo desplazamiento. El desplazamiento de cualquier bomba rotativa se puede calcular por el método general de integración, sobre una revolución completa del eje motriz, tomando la velocidad diferencial de transferencia del volumen neto con respecto al desplazamiento angular del eje motriz a través de cualquier segmento plano completo, a lo largo de la cámara de la bomba entre los orificios de entrada y de salida. Para un tipo dado de bomba, debe seleccionarse el sistema coordenado y localizarse el plano para simplificar el cálculo. La mayoría de los rotores de las bombas tienen dimensiones radiales constantes en la dirección axial en la cavidad del cuerpo y barren un cilindro circular recto de volumen

57 49 cuando giran. Consecuentemente, en las bombas de rotor simple, o en bombas de rotor múltiple -donde no existe contacto de sellado entre los rotores- (todos los sellos dinámicos están formados entre los elementos del rotor y la superficies del cuerpo y ninguno se forma entre los rotores), el cálculo de transferencia de volumen puede basarse en coordenadas polares centradas en cada eje del rotor y la contribución a la transferencia del volumen neto puede calcularse para cada rotor independientemente. b) Deslizamiento hidráulico de una bomba (S) El deslizamiento (S) en una bomba rotatoria es la cantidad de fluido fugado del volumen de salida abierta al volumen de entrada abierta por unidad de tiempo. El deslizamiento depende de los claros entre los miembros rotatorios y los estacionarios que definen el orificio del recorrido de la fuga sobre la presión diferencial entre el volumen de salida abierta y el volumen a entrada abierta y sobre las características del fluido manejado (en particular la viscosidad). En aquellas bombas rotativas en que la velocidad es alta puede depender en forma secundaria de la velocidad de la bomba. Factores importante en el comportamiento y aplicaciones de la bomba son: una buena comprensión del concepto de deslizamiento y de los efectos del diseño de la bomba, tipo de ésta, tolerancias de manufactura, condiciones del fluido y condiciones de operación del sistema sobre la magnitud del deslizamiento, siendo estos conceptos necesarios, tanto para los diseñadores de la bomba como para los usuarios. El deslizamiento en una bomba rotativa ocurre sólo cuando existe una diferencia de presión entre las cámaras de entrada y de salida de la bomba. Esta diferencia de presión origina el flujo del fluido entre las cámaras de entrada y de salida a través de los claros entre los rotores y miembros del cuerpo. La mayoría de las bombas rotativas están construidas de manera que los claros en la bomba generalmente son de la misma naturaleza que aquellos que se encuentran entre dos placas planas paralelas, con una estacionaria y la otra en movimiento. Los elementos de los claros tienen secciones rectas, largas, angostas y rectangulares. En la mayoría de las bombas, estos claros, a través de la dimensión angosta, van esencialmente desde cero hasta unas milésimas de pulgada y consecuentemente, aún pequeñas variaciones en las tolerancias de manufactura, pueden originar considerables variaciones en el cambio del porcentaje del volumen de apertura. De la misma manera, el movimiento o deflexión de los elementos en movimiento de la bomba cuando se exponen a diferencias de presión puede originar cambios relativamente grandes, en porcentaje, en estos claros, en lugares diferentes de la bomba. Asimismo, cada bomba debe probarse para determinar el deslizamiento bajo cualquier condición de operación. c) Capacidad de una bomba (Q) La capacidad (Q) de una bomba rotativa es la cantidad neta de fluido entregada por la bomba por unidad de tiempo a través de su orificio de salida u orificios bajo cualquier condición de operación dada. Cuando el fluido es esencialmente no compresible, la capacidad es numéricamente igual al volumen de líquido desplazado por la bomba por unidad de tiempo o capacidad teórica (para mayor detalle ver acápite 3.1) menos el deslizamiento, todo expresado en las mismas unidades. La capacidad de una bomba rotativa operando con deslizamiento nulo se conoce como capacidad de Q. desplazamiento ( ) d

58 50 Q = Q S = Q t d S (3.2) Donde: Q t : Capacidad teórica en galones por minuto (gpm). S : Deslizamiento en galones por minuto (gpm). Q : Capacidad en galones por minuto (gpm). d) Velocidad de la bomba La velocidad (n) de una bomba rotativa es el número de revoluciones del rotor motriz o principal, por la unidad de tiempo. Cuando no existe engranaje de reducción o de incremento entre el eje de transmisión y el rotor principal, la velocidad puede medirse o establecerse en el eje de transmisión. La unidad de velocidad común es revoluciones por minuto Bombas tipo tornillo Las bombas de tornillo existen hace muchos años. La primera bomba de tornillo fue construida, muy probablemente, basándose en un diseño de Arquímedes. Dicha bomba fue utilizada para entregar grandes volúmenes de agua. Estos equipos son un tipo especial de bomba rotativa de desplazamiento positivo, en el cual, el flujo a través de los elementos de bombeo es verdaderamente axial. El líquido se transporta entre las cuerdas de tornillo de uno o más rotores y se desplaza axialmente a medida que éstos giran engranados. En todas las demás bombas rotativas mencionadas anteriormente, el líquido es forzado a viajar en círculos, dando así a la bomba de tornillo y a su patrón de flujo axial único, así como a sus bajas velocidades internas, un número de ventajas en muchas áreas de aplicación donde la agitación del líquido o su batido no son convenientes. En la figura 3.7, se puede visualizar las diferencias entre el flujo generado por la bomba tornillo y el generado por las otras bombas rotativas. Fig.3.7. Diagramas Diagramas de los elementos tornillos y engranajes mostrados: a) flujo axial y b) flujo circunferencial

59 51 La aplicación de las bombas de tornillo cubren una amplia gama de demanda de mercados, tales como en el ejército, en la marina y en el servicio de aceites combustibles, carga marítima, quemadores industriales de aceite, servicio de lubricación de aceite, procesos químicos, industrias de petróleo y aceite crudo, etc. La bomba de tornillo puede manejar líquidos en una gran variedad de viscosidad como la melaza hasta la gasolina, así como líquidos sintéticos. Debido a la, relativamente, baja inercia de sus partes en rotación, las bombas de tornillo son capaces de operar a mayores velocidades que otras bombas rotativas o alternativas de desplazamiento comparable. Las bombas de tornillo, como otras bombas rotativas de desplazamiento positivo, son autocebantes y tienen una característica de flujo que es esencialmente independiente de la presión. De acuerdo con las normas del Instituto de Hidráulica ( Hydraulic Institute Standards ), las bombas de tornillo se clasifican en: las de tipo de rotor simple o múltiple. Las últimas se dividen además en sincronizados y no sincronizados. La bomba de tornillo simple existe sólo en número limitado de configuraciones. La rosca del rotor es excéntrica con respecto al eje de rotación y engrana con las roscas internas del estator (alojamiento del rotor o cuerpo), alternativamente el estator está hecho para balancearse a lo largo de la línea de centros de la bomba. Las bombas de tornillos múltiples se encuentran en una gran variedad de configuraciones y diseños. Todas emplean un rotor conducido engranado con uno o más rotores de sellado. Varios fabricantes cuentan con dos configuraciones básicas disponibles, la construcción de extremo simple o dobles, de las cuales la última es la más conocida Teoría de bombas tipo tornillo En las bombas de tornillo, el engranaje de las roscas en los rotores y el ajuste cerrado del alojamiento que las envuelve forma uno o más juegos de sellos móviles en serie entre la entrada y la salida de la bomba. Estos juegos de sellos actúan como un laberinto y le dan a la bomba una capacidad positiva de presión. Los juegos sucesivos de sellos forman cavidades completas cerradas que se mueven continuamente de la entrada a la salida. Estas cavidades atrapan al líquido a la entrada y lo transporta hacia la salida, proporcionando un flujo suave. En la figura 3.8 se aprecia el movimiento axial de los sellos y cavidades.

60 52 Fig Movimiento de sellos Movimiento axial de sellos y cavidades. Abajo se muestran las cavidades alternadas llenas con aceite a) Capacidad entregada Debido a que la bomba de tornillo es un dispositivo de desplazamiento, entregará una cantidad definida de líquido por cada revolución de los rotores. Esta entrega puede definirse en función del desplazamiento ( V D ); que es el volumen teórico desplazado por revolución de los rotores y depende solo de las dimensiones físicas de los rotores. También puede definirse en función de la capacidad teórica ( Q t ), la cuál es función del desplazamiento y de la velocidad (n): Q = k V t D n (3.3) Donde: k : 0,004329; convierte unidades de pulgada cúbica a galones. Q : Capacidad o caudal teórico, en galones por minuto. t V D : Desplazamiento o volumen desplazado por revolución, en pulgadas cúbicas por revolución. n : Velocidad del rotor en revoluciones por minuto. Si no existieran claros internos, la capacidad real de entrega o capacidad neta (Q) sería igual a la capacidad teórica. Sin embargo, los claros existen, con el resultado de que cuando existe una diferencia de presión, siempre habrá fuga interna de la salida a la entrada. Esta fuga, como ya se ha visto anteriormente, se le conoce como deslizamiento

61 53 (S), varía dependiendo del tipo o modelo de bomba, el tamaño del claro, la viscosidad del líquido en las condiciones de bombeo y la presión diferencial. Para cualquier combinación de estas condiciones, al deslizamiento, para todos los propósitos prácticas, no le afecta la velocidad. La capacidad entregada o capacidad neta es, por lo tanto, la capacidad teórica menos el deslizamiento: Q = Q S, como se vio en la ecuación (3.2). Si la presión diferencial es casi cero, el deslizamiento puede despreciarse y t Q = Qt. La capacidad teórica de cualquier bomba puede calcularse fácilmente si se conocen todas las dimensiones esenciales, usando la ecuación (3.3). Para cualquier configuración particular de rosca, suponiendo similitud geométrica; el tamaño de cada cavidad mencionada anteriormente es proporcional a su longitud y área de la sección recta. Esta longitud se define por el paso de la rosca medido en función del mismo diámetro nominal que se use para calcular el área de la sección recta; en la figura 3.9 se puede visualizar a detalle lo mencionado. Fig.3.9. Descripción de los hilos del tornillo Constantes Proporciones de los hilos del tornillo, mostrando el paso o PITCH, el diámetro (D), etc. Por lo tanto, el volumen de cada cavidad es proporcional al cubo de su diámetro nominal y la capacidad teórica de la bomba es también proporcional al cubo de su diámetro nominal y a la velocidad de rotación. Q t = K D 3 n (3.4) Donde: Q t : Capacidad o caudal teórico, en galones por minuto. K : Constante. n : Velocidad del rotor en revoluciones por minuto. D : Diámetro del rotor.

62 54 Así puede verse que un incremento relativamente pequeño en el tamaño de la bomba puede proporcionar un gran incremento en capacidad. El deslizamiento también se puede calcular, pero normalmente depende de valores empíricos desarrollados mediante un gran número de pruebas. Estos datos de prueba son la base de los parámetros de diseño utilizados por cada fabricante de bombas. El deslizamiento varía aproximadamente con el cuadrado del diámetro nominal. La capacidad neta es, por lo tanto: Q t = K D 3 N S (3.5) b) Capacidad para crear presión Las bombas de tornillo pueden aplicarse sobre una amplia gama de presiones, hasta de 5000 psi, siempre que se haga una buena selección del diseño. Las fugas internas deben restringirse para aplicaciones de alta presión. Se requieren claros de operación muy cerrados y alta precisión para conjugar las roscas del rotor. Además, se emplean un número adicional de sellos en movimiento entre la entrada y la salida, como en la teoría clásica del sellado por medio de laberintos. Los sellos adicionales en movimiento se obtienen mediante un significativo incremento en longitud de los elementos de bombeo para un tamaño dado de rotor y de paso. En este caso, se sacrifica la longitud de la bomba para ganar capacidad para crear presión. La longitud mínima de los tornillos, necesaria para conseguir una hermeticidad estable en la bomba, se considera igual a 1,25 veces el paso aunque en la práctica y dependiendo de la presión requerida, esta longitud se elige entre 1,5 y 1,8 veces el paso. [19]. En la figura 3.10 se puede apreciar como varía la longitud de la máquina a medida que se requiere una mayor presión. La fuga interna dentro de los elementos de la bomba que resultan de la presión diferencial entre la salida y la entrada origina la existencia de un gradiente de presión a través de las cavidades en movimiento. Este gradiente es aproximadamente lineal -medido en cualquier instante. En realidad, la presión en cada cavidad en movimiento se forma gradual y uniformemente desde la presión de entrada hasta la de salida, a medida que la cavidad se mueve hacia la salida. En efecto, la capacidad para crear presión de una bomba de tornillo queda limitada por la elevación permisible de presión entre cualquier juego de sellos en movimiento. A esta elevación se le denomina como presión por cierre o presión por paso y es generalmente del orden entre 125 y 150 psi con claros normales de operación, pero puede llegar a 500 psi cuando se emplean claros mínimos. [1]. En la figura 3.11 se observa el gradiente de presión a lo largo del tornillo.

63 55 Fig Presión vs tamaño Aumento de la capacidad de presión de bombeo mediante el diseño modular Fig Gradiente de presión [3] Presión de entrada Longitud del rotor Presión de Salida (%) Gradiente de presión a lo largo de un juego de tornillos c) Conceptos de diseño El gradiente de presión que existe dentro de los elementos de la bomba de todos los tipos de tornillo produce varias fuerzas hidráulicas de reacción. Las técnicas mecánicas e hidráulicas empleadas en los diferentes diseños de bombas de tornillo para absorber estas

64 56 fuerzas de reacción son las diferencias fundamentales entre los tipos producidos por los diferentes fabricantes. Otra diferencia fundamental está en el método de engranar los rotores y mantener los claros de operación entre ellos. Existen dos aproximaciones básicas de diseño: Rotores sincronizados: dependen de un medio externo para engranar las roscas y para apoyar las fuerzas que actúan sobre los rotores. En este concepto, teóricamente las roscas no están en contacto entre sí o con los agujeros de los alojamientos dentro de los cuales giran (ver Fig. 3.12). Los rotores no sincronizados: dependen de la precisión y exactitud de las formas de las roscas para un engranaje adecuado y transmisión de la rotación. Éstos utilizan los agujeros del alojamiento como chumaceras para soportar las reacciones del bombeo a lo largo de toda la longitud de los rotores (ver Fig. 3.13). Las bombas de tornillo sincronizadas requieren el uso de engranes de sincronización entre los rotores y necesitan cojinetes de apoyo por separado a cada extremo para absorber las fuerzas de reacción y mantener los claros adecuados. Las bombas de tornillo no sincronizadas no requieren engranes o cojinetes externos, lo cual proporciona una considerable simplicidad en el diseño. Fig Arreglo de extremo sencillo y tornillo múltiple

65 57 Fig Arreglo de extremo doble y tornillo múltiple Tipo de bombas tornillo Hay tres tipos de bombas de tornillo: a) De rotor simple o bomba de un tornillo, más conocida comercialmente como bomba de cavidad progresiva. b) De rotor múltiple-no sincronizadas o bomba de tres tornillos. c) De rotor múltiple-sincronizadas o bomba de dos tornillos. El segundo y tercer tipo se encuentran disponibles en dos arreglos básicos, de extremo simple y de extremo doble. Extremo doble El arreglo de extremo doble es básicamente, el de dos bombas opuestas de un solo extremo o dos elementos de la bomba del mismo tamaño, con un rotor motriz común con diseño de doble hélice opuesta, dentro de una misma carcasa. En la figura 3.14 se puede ver una bomba de extremo doble, en donde el fluido se introduce por una entrada común separándose hacia los extremos exteriores de los dos elementos. Los dos elementos son, en efecto, bombas conectadas en paralelo. En cualquiera de estos arreglos, todas las cargas axiales sobre los rotores están equilibradas, ya que los gradientes de presión en cada extremo son iguales y opuestos.

66 58 Fig Bomba de extremo doble Extremo simple Los tres tipos de bombas de tornillo se ofrecen en la construcción de extremo simple o sencillo. A medida que crecieron los requisitos en muchas áreas de aplicación, el diseño de extremo sencillo se usó con mayor frecuencia porque proporcionaba el único medio práctico para obtener un mayor número de sellos en movimiento, necesarios para obtener mayor capacidad de alta presión. El único problema con el uso de una bomba de extremo simple es la dificultad para equilibrar las cargas axiales Bombas de cavidad progresiva Este tipo de bomba tuvo su origen en una invención del Dr. René Moineau a fines de la I Guerra Mundial, que lo diseñó como un compresor de aire para un motor de avión. Las bombas de cavidad progresiva fueron diseñadas como una combinación de una bomba rotativa con una bomba tipo émbolo, adquiriendo las ventajas específicas de ambos tipos de bomba como el bombear amplios rates de flujo, un alto rango de presiones, etc. Debido a la alta succión y manejo de fluidos multifásicos, además de la habilidad de bombear grandes cantidades de aire, vapor o gas en los fluidos (los cuáles muchas veces contienen sólidos), este tipo de bomba muchas veces no es usada y/o considerada dentro de la misma clasificación de las bombas de desplazamiento positivo del tipo rotativo. a) Principios de operación La bomba de cavidad progresiva es una bomba de un tornillo, perteneciente al grupo de bombas rotativas. Los componentes principales de una bomba de cavidad progresiva son: El rotor, que puede ser fabricado en una variedad de materiales. Un tubo metálico o estator con un forro eslastomérico interior vulcanizado. La unión universal o junta tipo pin, con cubiertas protectoras de elastómero y bocinas de pin reemplazables. La barra de conexión. El eje motriz. Un bastidor de hierro fundido para los rodamientos.

67 59 Las carcasas de succión y descarga pueden ser fabricadas en hierro fundido, acero inoxidable u otros metales. En la figura 3.15 se aprecia detalladamente los componentes principales de una bomba de cavidad progresiva como se han mencionado anteriormente. Fig Componentes Componentes de una bomba de cavidad progresiva Este tipo de bomba consiste básicamente en un rotor de espiral simple, girando excéntricamente dentro de un estator de doble espiral. Las líneas de sello de la cavidad son creadas por el ajuste, bien por interferencia o compresión del estator elastomérico y el rotor de metal. Cuando una cavidad disminuye, la cavidad opuesta aumenta en exactamente el mismo rate, de tal manera que la suma de las dos descargas es constante. El resultado es un flujo o desplazamiento positivo no pulsante, sin necesidad de válvulas. Fig Funcionamiento de la bomba de cavidad progresiva En la figura 3.16 se aprecia más al detalle lo mencionado en el párrafo anterior. La cavidad mostrada en la figura A disminuye, mientras la cavidad de la figura B aumentó en la misma cantidad.

68 60 El fluido es capturado en una cavidad de manera axial, como es mostrado en la figura C y luego se produce la descarga, como se observa en la figura D. La sección transversal del estator son dos semicírculos de diámetro D separados por un rectángulo de lado 4e y D el cuál está desfasado de la línea central debido a la excentricidad, e. El paso de la rosca es P s y es dos veces el paso del rotor. Para un mayor entendimiento, visualizar la figura Fig Diferentes secciones de una bomba de cavidad progresiva Vista axial Sección Transversal del Rotor Elastómero Tubo Sección Transversal del Estator La dimensión de la cavidad formada entre el rotor y estator cuando se empiezan a mover juntos, es igual al vacío de la sección transversal llena con fluido. Esa área representa la cantidad de fluido a desplazarse por cada revolución del rotor, la cual es representada por la siguiente ecuación: A = 4 e D fluido P s (3.6) Donde : 2 A : área ocupada por el fluido ( mm ). e D P s fluido : excentricidad : diámetro del eje (mm). : paso o pitch (mm).

69 61 b) Aplicaciones El número de aplicaciones de las bombas de cavidad progresiva es variado, por ejemplo: General: para extractos y líquidos, pastas alimenticias, sopas, mayonesas, melazas, batidos de frutas, mermeladas, aceites, almidones. Bebidas: zumos y concentrados, jarabes, levaduras, melazas, cerveza, vino, licor, alcohol. Productos lácteos: leche, yogurt, crema de queso, etc. Industrias de dulces y chocolates: jarabes, glucosas, miel, masa de caramelo, pasta de chocolate, cremas, etc. Aceites vegetales: bombeo de soya y aceites. Conservas: para frutas y pastas vegetales, extractos, zumos concentrados, frutas enteras o en trozos. Azucareras: melazas, lodos saturados, extractos concentrados. Papel: pasta, pegamentos, pigmentos, pulpa, aguas residuales, pasta de madera. Industria Naval: líquidos acuosos, barros, excrementos, como bomba de carga y descarga de bodegas. Y como todo tipo de bomba presenta ciertas ventajas y desventajas. A continuación mencionamos alguna de ellas. b.1) Ventajas Larga vida útil con fluidos abrasivos. Habilidad para bombear agua y fluidos viscosos hasta 1 millón de centipoises. Pueden funcionar en ambas direcciones. Habilidad para manejar sólidos sin dañarlos. Bombea fluidos sensibles al corte. Autocebante, excelente capacidad de succión. Flujo constante, aun con amplias variaciones en la presión de descarga, concentración de sólidos, contenido de gas o viscosidad del fluido. Alta resistencia a la abrasión y corrosión. b.2) Desventajas Se requiere un gran número de etapas para obtener elevadas presiones. (ver Fig. 3.18)

70 62 Fig Presiones máximas obtenidas por etapas La incompatibilidad de algunos fluidos con los elastómeros puede causar problemas. Al no funcionar con elevadas velocidades, requiere el uso de cajas de cambios o engranajes reductores Bombas de tres tornillos La bomba de tres tornillos o de tipo no sincronizado son las más usadas actualmente. Son comúnmente usadas en lubricación de maquinaria, elevadores hidráulicos, transporte de crudo, procesos de refinería para alta temperatura con fluidos viscosos como el asfalto, etc. Son muy utilizadas en el transporte de crudo como estaciones de bombeo principales, como boosting y en carga o descarga de buques. Las bombas rotativas de tres tornillos ofrecen una alta eficiencia de bombeo y un flujo constante de operación a pesar de los cambios de presión y viscosidad que se presentan en los oleoductos. Su flujo continuo y uniforme es producido con mínima pulsación y taza de corte. No presenta cambios hidráulicos que golpean la tubería y fatiguen las fundaciones, o dañe los sistemas de instrumentación o el equipo conductor. Su instalación es fácil y poco costosa ya que no se requiere acumuladores o controles de velocidad. Su acoplamiento directo convierte la potencia del eje en una mayor capacidad de suministro a un régimen menor de consumo de energía. Con pocas partes en movimiento y sin contacto al desgaste, las bombas de tres tornillos proporcionan años de operación sin problemas. Poco mantenimiento es requerido y cuando es necesario, los juegos de reparación disponibles permiten una rápida reparación. Presentan una mayor eficiencia y confiabilidad, evitando futuros costos de cambio de equipos reflejados y altos costos de mantenimiento. Los otros tipos de bombas, como las centrífugas, etc., son muy costosas de mantener.

71 63 Hoy en día, las bombas de tres tornillos están operando en todo el mundo bajo las condiciones ambientales más severas. Ellas están operando contra presiones que exceden las 1500 psi y suministran flujos continuos hasta BPD. Diseño y operación Tiene rotores que han generado formas acopladas de roscas que cualquier fuerza de transmisión necesaria pueda transmitirse suave y continuamente entre los rotores, sin el uso de engranajes sincronizadores. Los rotores pueden compararse directamente con los engranes helicoidales de precisión con un gran ángulo de hélice. Este diseño, generalmente, emplea tres tornillos rotores. El tornillo central, más conocido como el rotor de potencia o conducido, se encuentra engranado a los otros dos rotores de sellado, de ajuste cerrado- locos- simétricamente colocados alrededor del eje central. Un alojamiento de ajuste cerrado proporciona el único apoyo transversal para cojinetes, tanto para el rotor conducido como para los rotores locos. (ver Fig y Fig.3.20) Fig Bomba de tres tornillos

72 64 Fig Esquemático y disposición de tornillos El uso del alojamiento del rotor como el único medio para soportar los rotores locos, es una característica única de las bombas de tres tornillos o no sincronizadas. Sobre estos rotores no se requieren cojinetes de apoyo exteriores. Los rotores locos en sus respectivos agujeros del alojamiento son en realidad chumaceras parciales que generan una película hidrodinámica fluida que evita el contacto metal con metal y que es generada por su propia excentricidad. La capacidad de este diseño para soportar carga sigue muy de cerca las leyes de la teoría de las películas hidrodinámicas. Los parámetros clave del tamaño del rotor, los claros, el acabado superficial, la velocidad, la viscosidad del fluido y la presión en los cojinetes, se relacionan como en una chumacera. Puesto que los rotores locos están soportados por los agujeros a lo largo de toda su longitud, no existen cargas flexionantes que se apliquen sobre ellos. El rotor central conducido tampoco está sujeto a ninguna carga flexionante debido a la colocación simétrica de los rotores locos y al uso de dos roscas en todos los rotores. La figura 3.21 muestra la excentricidad en las bombas de tornillos, del centro del eje al centro del cojinete. En la figura 3.22 se aprecian las distintas partes de la bomba de tres tornillos, indicando cada una de éstas. En la figura 3.23 se aprecia la orientación de las fuerzas en el rotor de la bomba de tornillo.

73 65 Fig Excentricidad en bombas tornillos COJINETE EJE PELÍCULA DE FLUIDO POR ÁREA = L e= EXCENTRICIDAD DEL CENTRO DEL EJE AL CENTRO DEL COJINETE Fig Detalle de juego de rotor

74 66 Fig Diagrama de fuerzas en juego de rotor Fig Dirección de fuerzas en juego de rotor COJINETES DE APOYO

75 67 Esto es completamente diferente al diseño de dos rotores, común en el tipo sincronizado o de dos tornillos, en donde las fuerzas hidráulicas generadas dentro de la bomba originan cargas flexionantes de importancia sobre los pares de tornillos interengranados. En contraste con las bombas de dos tornillos, las bombas de tres tornillos con su ausencia de engranes de sincronización y cojinetes, parece muy simple, pero su éxito depende completamente de la precisión y el acabado de las roscas del rotor y de los agujeros del alojamiento para el rotor. Para la manufactura de estas partes se han desarrollado técnicas especiales y máquinas-herramientas especiales también. La combinación de simplicidad de diseño y técnicas de manufactura, han permitido que este diseño se use en longitudes muy grandes de rotor, con una multiplicidad de ajustes de sellado, para aplicaciones hasta de 5000 psi. Los rotores se hacen, generalmente, de hierro dúctil o gris, o bien de acero al carbón. Las superficies de las roscas con frecuencia se endurecen para dar resistencia a la alta presión y a la abrasión. También se utiliza el endurecimiento a la flama, el endurecimiento por inducción y el nitrurado. En algunas aplicaciones críticas se puede usar el endurecimiento completo en acero para herramientas o el acero inoxidable. Los alojamientos para el rotor o las camisas o revestimientos se hacen de hierro perlítico gris, bronce o aleación de aluminio. En muchos casos, tanto los agujeros como los rotores pueden tratarse mediante la aplicación de lubricante en seco o revestimientos tenaces. Las carcasas de las bombas se hacen de hierro gris, hierro dúctil o acero fundido, en donde los requerimientos de choque o de seguridad así lo exigen. En muchos casos se emplea un cojinete antifricción sobre el extremo del eje del rotor conducido. Se usa para proporcionar la colocación precisa del eje para un sello mecánico y un alineamiento del acoplamiento. Este cojinete puede ser externo, sellado con grasa o del tipo interno en el cual el líquido bombeado proporciona la lubricación. También actúa como soporte de las cargas voladas de las bandas o trenes de engranes. Sellos Como en cualquier bomba rotatoria, el arreglo de los sellos para los ejes es muy importante y con frecuencia, crítico. Todo tipo de sello rotatorio ha sido utilizado en las bombas de tornillo una u otra vez. Todos los tipos de bombas requieren por lo menos un sello rotatorio sobre el eje motriz. Las bombas de dos tornillos, con sincronización externa y cojinetes, requieren de sellos adicionales en cada extremo del rotor para separar el líquido bombeado del aceite de lubricación necesario para los engranes y cojinetes. Para los ejes motrices se usan sellos mecánicos, así como estoperos o empaques, dependiendo del fabricante y/o la preferencia del cliente. Los arreglos dobles de respaldo se usan a veces con un líquido de lavado, para sustancias muy viscosas o corrosivas.

76 Bombas de dos tornillos Generalmente, las bombas de dos tornillos son más costosas de construir que las bombas de tres tornillos, sin tener un uso mucho más extensivo. Ellas, sin embargo, pueden ser utilizadas en muchas aplicaciones y se tendrán mejores resultados que si se utilizaran otros tipos de bomba. Son especialmente utilizadas en aplicaciones donde existe muy baja presión disponible en la succión, especialmente si el caudal requerido es alto. Presentan como particularidad la capacidad de bombeo de fluidos corrosivos, como el agua, esto debido a que los tornillos no se encuentran en contacto. Luego, los servicios que estas bombas realizan son muy similares a las bombas de tres tornillos como por ejemplo: bombeo de crudo en oleoductos, refinerías, procesamiento de productos viscosos, procesamiento de fibras sintéticas, descarga de barcazas, transferencia de combustible, también en aplicaciones como fabricación de adhesivos, procesamiento de explosivos de nitrocelulosa, bombeo de crudo con alto contenido de agua, bombas multifases para el bombeo de mezclas crudo/gas, bombeo de limpieza con productos livianos en procesos calientes, carga y descarga con agua de lastre como uno de los fluidos, servicio de stripping en tanques, donde el contenido de aire puede ser alto y la producción de pulpa de papel necesite bombear mas de 10% de sólidos. Diseño y operación Las bombas de dos tornillos también conocidas como de tipo sincronizado, en su gran mayoría son de doble succión. (ver Fig. 3.25). Fig Bomba de dos tornillos de doble succión ENGRANES DE SINCRONIZACION

77 69 Al presentar arreglos opuestos, las fuerzas hidráulicas axiales generadas se compensan debido a su simetría. Presentan claros radiales, al no estar en contacto el rotor con el tornillo, y claros de raíz o flancos, al no estar en contacto los rotores. Esto es una ventaja para poder manejar fluidos corrosivos. Para una mejor ilustración de cómo es que se forman estos claros, visualizar la figura Fig Claros en bombas de dos tornillos CLAROS Radial Raíz Flancos Las fuerzas radiales en una bomba de dos tornillos debido al diferencial de presión son ilustradas en la siguiente figura Dichas fuerzas se distribuyen uniformemente a lo largo de los tornillos de la bomba, causando una deflexión ( y ) en cada claro. Una deflexión muy grande necesita tener claros más grandes, originando mayores fugas o una menor eficiencia volumétrica, entonces la deflexión debe ser mínima para evitar los daños alrededor del cuerpo de la bomba y evitar que los esfuerzos de fatiga produzcan una rotura del eje. La ecuación 3.7 es la correspondiente a la deflexión en los claros de la bomba. Dicha ecuación es simplificada, y en la práctica debe cumplir para cualquier modificación del eje y tornillos a lo largo del rotor. 3 F L y = < claro radial c E I (3.7)

78 70 Donde: F: Resultante de las fuerzas hidráulicas. (N) L: Espesor del cojinete. (m) c: Constante. E: Módulo de elasticidad del material del eje.(gpa) 4 m I: Momento de inercia del eje. ( ) Fig Fuerzas radiales en bomba de dos tornillos Además, este tipo de bombas cuenta con engranes de sincronización y cojinetes de apoyo del rotor, los cuáles pueden ser de arreglos internos y externos. Las de arreglo interno tienen tanto los engranes como los cojinetes localizados dentro de la cámara de bombeo y es relativamente simple y compacta. (ver Fig. 3.28), por lo tanto queda restringida, generalmente, al manejo de fluidos lubricantes limpios que sirven como único medio de lubricación para los engranes sincronizados y los cojinetes. Fig Bomba con engranes de sincronización interno

79 71 El arreglo de sincronización externa es el más popular y el más extensamente usado. Tiene tanto los engranes sincronizados como los cojinetes de soporte del rotor colocados fuera de la cámara de bombeo. (ver Fig. 3.29). Este tipo de arreglo puede manejar un abanico de fluidos, tanto lubricantes como no lubricantes y con una adecuada selección de materiales, se logra una buena resistencia a la abrasión. Los engranes de sincronización y los cojinetes están lubricados en un baño de aceite de una fuente externa. Este arreglo requiere el uso de cuatro estoperos o sellos mecánicos, en oposición al tipo interno, que emplea sólo sello para el eje. Fig Bomba con engranes de sincronización externo Los engranes de sincronización generalmente son helicoidales o de espina de pescado y de acero endurecido, con perfiles de dientes diseñados para una transmisión eficiente, suave y positiva de los rotores. También se utilizan engranes sincronizados de fundición de hierro. Los rodamientos radiales antifricción son normalmente del tipo de rodillos para trabajo pesado, mientras que los cojinetes de empuje que sujetan los rotores axialmente pueden ser tanto del tipo de doble hilera, de empuje de bolas, o del tipo de rodillos esféricos. El alojamiento puede proporcionarse en una variedad de materiales que incluyen la fundición de hierro, el hierro dúctil, la fundición de acero, el acero inoxidable, el metal monel y el nitraloy. El diámetro exterior de los rotores también se puede suministrar con revestimientos endurecidos que incluyen el carburo de tungsteno, el óxido de cromo y la cerámica Comportamiento Las consideraciones de comportamiento de las bombas de tornillo están íntimamente relacionadas con las aplicaciones, así que cualquier análisis cubrirá ambos puntos de vista. En la aplicación de las bombas de tornillo hay ciertos factores básicos que hay que considerar para asegurar una instalación exitosa. Estos son fundamentalmente los mismos, independientemente de los líquidos que se manejen o las condiciones de bombeo.

80 72 En cualquier aplicación de las bombas de tornillo, indistintamente del diseño, la presión o elevación de succión, la viscosidad y la velocidad son determinantes, ya que dichos parámetros son dependientes entre sí, siendo necesario su conocimiento Condiciones en la admisión La clave para obtener un buen comportamiento de una bomba de tornillo, así como de cualquier otra bomba de desplazamiento positivo, radica en la compresión y el control de las condiciones en la admisión y los correspondientes parámetros de velocidad y viscosidad. Para asegurar una operación suave y eficiente, es necesario llenar completamente con líquido las cavidades en movimiento entre las roscas del rotor cuando se abren en la entrada. Esto se vuelve más difícil a medida que la viscosidad, la velocidad o la elevación de succión aumentan. Debe recordarse que una bomba no jala o levanta el líquido dentro de sí. Debe existir alguna fuerza externa para empujar el líquido hacia las roscas del rotor inicialmente. Normalmente, la presión atmosférica es la única presente, pero hay algunas aplicaciones en las que se dispone de una presión positiva de entrada. Naturalmente que mientras más viscoso es el líquido, la resistencia al flujo es mayor y consecuentemente la velocidad para llenar las cavidades en movimiento de las roscas en la entrada es menor. Por el contrario, los líquidos ligeramente viscosos fluirán muy rápidamente y llenarán rápidamente las roscas del rotor. Es obvio, que si los elementos del rotor se mueven demasiado a prisa, el llenado será incompleto y se tendrá una reducción en la entrega. Para obtener un llenado completo, la velocidad de flujo del líquido en los elementos de bombeo debe ser siempre mayor que la velocidad de viaje de la cavidad. En la tabla 3.1, se muestran ejemplos de límites de velocidad axial interna segura, encontrados por la experiencia de un fabricante de bombas de tornillo para diversos líquidos y viscosidades de bombeo, tan sólo con la presión atmosférica disponible a la entrada de la bomba. Tabla 3.1. Viscosidades y velocidades de distintos líquidos. Líquido Viscosidad (SSU) Velocidad ( pies/s) Aceite diesel Aceite lubricante Aceite combustible N Celulosa Así es bastante aparente que la velocidad de la bomba se debe seleccionar para satisfacer la viscosidad del líquido que se va a bombear. La velocidad de rotación de la bomba está directamente relacionada con la velocidad axial interna, la que a su vez es una función del paso de la rosca del tornillo. El paso es el avance que se hace a lo largo de un hilo de la rosca durante una revolución completa del rotor conducido, medido a lo largo del eje. En otras palabras, es la distancia recorrida por la cavidad en movimiento, en una revolución completa del rotor conducido.

81 Los fluidos y la presión del vapor En muchos casos, las bombas de tornillo manejan una mezcla de líquidos y gases y por lo tanto, el término fluido es más descriptivo. La mayoría de estos fluidos, especialmente los productos del petróleo, debido a su naturaleza compleja, contienen ciertas cantidades de aire o gas disuelto o atrapado que se desprende como vapor cuando el fluido se somete a presiones reducidas. Si la caída de presión requerida para vencer las pérdidas en la entrada es suficiente para reducir significativamente la presión estática, los vapores se liberan en las cavidades del rotor y se presenta la cavitación. La presión de vapor es una propiedad clave de los fluidos que debe reconocerse y considerarse con sumo cuidado. Esto sucede con los productos volátiles, producto del petróleo, tales como: la gasolina, la cual tiene una presión de vapor muy baja. En todas las aplicaciones de bombas de tornillo no debe permitirse nunca que la presión estática absoluta caiga debajo de la presión de vapor de fluido, evitando de esta forma la ebullición y el desprendimiento de los gases, lo que originaría la cavitación. Como ya hemos mencionado en capítulos anteriores, la cavitación se origina cuando ocurre la vaporización del fluido en la entrada de la bomba debido al llenado incompleto de los elementos de la bomba y a una reducción en la presión. Bajo estas condiciones, las burbujas de vapor que cruzan la bomba se rompen a medida que cada cavidad en movimiento se abre hacia la presión de descarga. Esto trae como consecuencia vibraciones ruidosas, cuya severidad depende del grado de vaporización o llenado incompleto y de la magnitud de presión de descarga. También hay una consecuente reducción en la entrega, por lo tanto, es muy importante tomar en consideración las características tanto del aire disuelto o atrapado, como de la presión de vapor del fluido que se va a manejar, especialmente cuando existe una elevación de succión Aire atrapado y disuelto Como se mencionó anteriormente un factor al que hay que dar mucha consideración es la posibilidad que haya aire o gas atrapado en el líquido a bombear. Esto ocurre en instalaciones donde hay recirculación y el fluido está expuesto al aire, ya sea por agitación mecánica, fugas o por la instalación inadecuada de las líneas de drenaje. La mayoría de los líquidos disuelven el aire o el gas, reteniéndolo en solución, dependiendo la cantidad del mismo líquido y de la presión a la que está sujeto. Por ejemplo, se sabe que los aceites lubricantes bajo condiciones atmosféricas de temperatura y presión disolverá hasta el 10% de volumen de aire y que la gasolina disolverá hasta el 20%. Cuando existen presiones debajo de la atmosférica en la entrada de la bomba, el aire disuelto saldrá de la solución. Tanto éste, como el aire atrapado se expandirán en proporción a la presión absoluta existente. Asimismo, el aire expandido ocupará una parte proporcional del volumen disponible de las cavidades en movimiento, con una reducción en la capacidad entregada.

82 74 Uno de los efectos aparentes del manejo de líquidos que contienen aire o gases atrapados o disueltos, es la operación ruidosa de la bomba. Cuando tal condición ocurre, normalmente se descarta como cavitación y se deja trabajar en esas condiciones. En sistemas y bombas diseñados adecuadamente, se puede lograr y se debe esperar una operación libre de vibraciones. Una operación ruidosa es ineficiente, deben tomarse medidas para hacer las correcciones y eliminar las condiciones inadecuadas de la operación. La selección adecuada del tamaño y diseño de la bomba, así como la velocidad correcta pueden ser el camino para vencer el problema Viscosidad No es frecuente que una bomba maneje líquidos a viscosidad constante. Normalmente, debido a las variaciones de temperatura, se encontrará un gran rango de viscosidades, de acuerdo al fluido que se transportará. La mayor viscosidad, normalmente, es la que corresponde a las condiciones de arranque en frío. El rango de viscosidades máxima y mínima de trabajo es perfectamente satisfactoria, aunque se puede hacer una mejor y más económica selección de la bomba si se puede obtener información referente a tales cosas como el tiempo que la bomba va a trabajar a mayor viscosidad, si el motor se puede sobrecargar temporalmente, si se puede utilizar un motor de velocidad múltiple o si la presión de descarga se puede reducir durante el período de alta viscosidad. La viscosidad máxima esperada y la presión de succión son las que determinan el tamaño de la bomba y fijan la velocidad. La mínima viscosidad determina la capacidad. Las bombas de tornillo deben seleccionarse siempre para dar la capacidad específica cuando manejan la viscosidad mínima esperada, puesto que éste es el punto en el cual ocurre el máximo deslizamiento y, por lo tanto, la mínima capacidad. (ver figura 3.30). Además, la viscosidad mínima determina con frecuencia la selección del modelo de la bomba, ya que muchos fabricantes presentan características especiales de baja presión para manejar líquidos con viscosidades menores a 100 SSU. Fig Curva de comportamiento [1] Curva de comportamiento carga-capacidad con la viscosidad como parámetro, para dos velocidades

83 Líquidos no-newtonianos La viscosidad de la mayoría de los líquidos, como por ejemplo, el agua y el aceite mineral no se ven afectadas por la agitación o el corte a que puedan estar sujetos, en tanto la temperatura permanezca constante. A estos líquidos se les conoce como verdaderos o newtonianos porque siguen la definición de viscosidad de Newton. Sin embargo, hay otra clase de líquidos, como los compuestos celulósicos, los pegamentos, las grasas, las pinturas, las pastas, etc. que muestran cambios en la viscosidad cuando se varía la agitación a temperatura constante. La viscosidad de estas sustancias dependerá del grado de corte al cual se mida y estos fluidos se denominan no-newtonianos. Si se sabe que una sustancia es no-newtoniana, debe determinarse la viscosidad esperada bajo las condiciones reales de bombeo, ya que puede variar notablemente la viscosidad bajo condiciones estáticas. Puesto que las sustancias no-newtonianas pueden tener un número ilimitado de valores de viscosidad (a medida que se varía el grado de corte), el término viscosidad aparente se usa para describir sus propiedades viscosas. La viscosidad aparente se expresa en unidades absolutas y es una medida de resistencia al flujo a un grado de corte dado. Tiene significado sólo si se da también el grado o velocidad de corte. Por ejemplo, en la industria manufacturera de grasa se conocen muy bien las propiedades no-newtonianas de sus productos, lo cual se comprueba con las numerosas curvas que se han publicado, en donde se grafica la viscosidad aparente contra la velocidad de corte. Es rara la ocasión en que se puede obtener información precisa sobre la viscosidad cuando se necesita seleccionar una bomba para el manejo de esa sustancia Velocidad Ya se estableció previamente que la viscosidad y la velocidad están íntimamente ligadas y que no es posible considerar una sin la otra. Aunque la velocidad de rotación es el último resultado a tomar en cuenta, la velocidad básica que el fabricante debe considerar es la velocidad axial interna del líquido pasando a través de los rotores. Esta es una función del tipo de bomba, diseño y tamaño. La velocidad de rotación debe reducirse cuando se manejan líquidos de alta viscosidad. Las razones son no sólo la dificultad para llenar los elementos de bombeo, sino también las pérdidas mecánicas que resultan de la acción del corte de los rotores en la sustancia que se maneja. La reducción de estas pérdidas es con frecuencia más importante que las velocidades relativamente altas, aunque las últimas pudieran ser posibles debido a las condiciones de admisión positiva Capacidad La capacidad real entregada de cualquier bomba de tornillo, como se dijo anteriormente, es la capacidad teórica menos las fugas internas o deslizamiento cuando se manejan líquidos libres de vapor.

84 76 La capacidad real entregada de cualquier bomba rotativa específica se reduce a: Disminución en la velocidad. Disminución en las viscosidades. Aumento en la presión diferencial. La velocidad real siempre debe conocerse, con frecuencia difiere algo de la especificación nominal o de placa. Este es el primer punto que hay que revisar y verificar al analizar cualquier comportamiento de las bombas. Es sorprendente la frecuencia con que la velocidad se supone en forma incorrecta. Debido a los claros internos entre los rotores y su alojamiento, las bajas velocidades y las altas presiones aumentan el deslizamiento, lo que resulta en una capacidad reducida para una velocidad dada. El impacto de estas características puede variar ampliamente para los diversos tipos de bombas. El deslizamiento, sin embargo, no se afecta en forma medible por los cambios en la velocidad y así resulta en un pequeño porcentaje del flujo total con el uso de velocidades altas. Este es un factor muy importante en el manejo de viscosidades ligeras a grandes presiones, particularmente en el caso de las bombas de tres tornillos, las que favorecen la alta velocidad para mejores resultados y mejor eficiencia volumétrica. Este, generalmente, no es el caso con las bombas que tienen límites de velocidad en los cojinetes de apoyo. La eficiencia volumétrica de la bomba ( η v ) se calcula así: η = v Q Q t Qt S = Q (3.8) Como ya se dijo anteriormente, la capacidad teórica de una bomba tornillo es una función que varía directamente con el cubo del diámetro nominal. El deslizamiento, sin embargo, varía aproximadamente con el cuadrado del diámetro nominal. Por lo tanto, para una velocidad y geometría constante, el duplicar el tamaño del rotor traerá como consecuencia un incremento de ocho veces la capacidad teórica y sólo cuatro veces el aumento en el deslizamiento. Se deduce, en consecuencia, que la eficiencia volumétrica mejora rápidamente con un incremento en el tamaño del rotor. Por otra parte, el cambio de viscosidad afecta al deslizamiento inversamente a alguna potencia que se ha determinado empíricamente. Utilizando un índice de potencia de 0.5, se obtiene una aproximación aceptable de entre 100 a SSU. El deslizamiento varía directamente con, aproximadamente, la raíz cuadrada de la presión diferencial y un cambio de 400 a 100 SSU duplicará el deslizamiento de la misma manera que lo hará un cambio en la presión diferencial de 100 a 400 psi. t S = K p vis cosidad (3.9) En la figura 3.31 se puede apreciar como se relacionan la capacidad y la eficiencia volumétrica con el tamaño de la bomba.

85 77 Fig Capacidad y eficiencia volumétrica en función del tamaño de la bomba [1] Presión Las bombas de tornillo por sí mismas no originan presión, simplemente transfieren una cantidad de fluido del lado de entrada al lado de salida. La presión desarrollada en el lado de salida es tan sólo el resultado de la resistencia al flujo en la línea de descarga. La característica de la pérdida de un tipo y modelo de bomba es uno de los factores claves que determinan la gama aceptable de operación y, en general, está bien definido por el fabricante de la bomba.

86 Potencia La potencia al freno que se requiere para mover una bomba de tornillo es la suma de la potencia líquida teórica y las pérdidas internas de potencia. La potencia líquida teórica es el trabajo real realizado para mover el fluido de su condición de presión a la entrada, hasta la salida a la presión de descarga. Cabe resaltar que este trabajo se realiza en todo el fluido de la capacidad teórica, no sólo en la capacidad entregada, ya que el deslizamiento no existe hasta que un diferencial de presión ocurre ( p). Las características de potencia de las bombas de tornillo se expresan en función de potencia. La potencia hidráulica teórica se puede calcular en base al caudal teórico y al diferencial de presión como se muestra en la ecuación Donde: twhp = k Qt p. (3.10) twhp : potencia hidraúlica teórica (HP). k : constante de conversión a HP, igual a Q : caudal teórico ( ) t m 3 s. p : diferencial de presión (Pa). Debe notarse que la potencia hidráulica teórica es independiente de la viscosidad y es sólo función de las dimensiones físicas de los elementos de bombeo, la velocidad de rotación y la presión diferencial. Las pérdidas internas de potencia son de dos tipos: mecánica y viscosas. Las pérdidas mecánicas incluyen toda la potencia necesaria para vencer el arrastre de la fricción mecánica de todas las partes en movimiento dentro de la bomba, incluyendo los rotores, cojinetes, engranes, sellos mecánicos, etc. Las pérdidas por viscosidad incluyen toda la pérdida de potencia originada por los efectos de arrastre del fluido viscoso contra todas las partes dentro de la bomba, así como de la acción de corte del mismo fluido. Es probable que la pérdida mecánica sea el mayor componente cuando se opera a bajas viscosidades y altas velocidades, mientras que las pérdidas por viscosidad son mayores en condiciones de alta viscosidad y baja velocidad. En general, las pérdidas para un tipo y tamaño de la bomba, varían con la viscosidad y la velocidad de rotación y pueden o no ser afectadas por la presión, dependiendo del tipo y modelo de bomba bajo consideración. Estas pérdidas, sin embargo, deben estar siempre basadas en la máxima viscosidad que debe manejarse, puesto que serán la más altas en este punto. La potencia de salida real (twhp), o potencia hidráulica entregada, es la potencia que se entrega al líquido por la bomba a la salida. Se calcula en forma similar a la potencia líquida teórica, usando Q en vez de Q, por lo que el valor será siempre menor. t La eficiencia de la bomba ( η ) es la relación de la potencia de salida de la bomba a la potencia al freno (ver Fig. 3.32).

87 79 Fig Curvas comunes de eficiencia total [1] Aplicaciones especiales multifásicas Las bombas de tornillo han sido utilizadas durante muchos años en aplicaciones con fluidos líquidos, sin embargo en estos últimos tiempos se ha notado que muchos fluidos son de origen multifásico (contienen cierta cantidad considerable de gases). En muchos de estos casos, se separaban los diversos contenidos que presentaba el fluido y se procesaban para solamente obtener el producto líquido y de esta manera ser bombeado sin problemas. Se requerían separadores, compresoras y tuberías duales para poder manejar este tipo de fluidos. Al tener una bomba tornillo se pueden ahorrar costos significativos de operación e inclusive de mantenimiento. Bajo diversas condiciones, una salida óptima de bombeo puede variar desde 100% líquido hasta 100% gas y todas las posibles combinaciones. Las aplicaciones también requieren que el equipo de bombeo se encuentre disponible para manejar los slugs o aceleración másica del líquido o gas, mientras se mantiene la presión total de descarga. Dentro de las diversas aplicaciones de este tipo de bombas se tiene las instalaciones por debajo del mar, las cuales están siendo utilizadas para reducir los elevados costos de equipo y operación de las tradicionales plataformas petroleras. En estas aplicaciones, el equipo de bombeo es montado sobre la superficie del mar con tuberías a través de la costa, brindando así múltiples facilidades.

88 80 La clave para el bombeo de productos multifásicos es asegurar que cierta cantidad de líquido esté siempre disponible para poder sellar los claros de los tornillos y reducir las fugas. Inclusive una pequeña cantidad de líquidos es recirculado para mantener siempre llenos los claros y permitir que la bomba de tornillo opere con un buen rendimiento volumétrico. Dependiendo en un número determinado de factores, el volumen de líquido recirculado necesario para sellar y enfriar los tornillos, pueden ir entre 3 y 6 % del caudal nominal a la que trabaja la bomba. [2] Instalación y operación El comportamiento y vida de las bombas rotativas puede mejorarse en la práctica siguiendo las recomendaciones sobre la instalación y la operación dadas a continuación: a. Tamaño de la tubería La resistencia al flujo se origina por diferencias en elevación, resistencias fijas de las restricciones, tales como los orificios y la fricción en las tuberías. Acerca de lo primero, nada puede hacerse, puesto que ésta es la razón básica para la utilización de una bomba. Sin embargo, algo puede hacerse acerca de las restricciones y la fricción en las tuberías. Es cierto que no toda la fricción en las tuberías se puede eliminar, ya que los fluidos deben manejarse de esta manera, pero debe hacerse todo el esfuerzo para utilizar el mayor tamaño de tubería que sea económicamente factible. Existe un sinnúmero de tablas, a partir de las cuales se pueden calcular las pérdidas por fricción en cualquier combinación de tuberías; dentro de estas se puede mencionar al Manual de Fricción en las tuberías ( Hydraulic Institute Pipe Friction Manual ). Antes de realizar cualquier instalación, el costo de la tubería de gran tamaño que originará presiones más bajas en las bombas deberá compararse o equilibrarse cuidadosamente contra el costo de una bomba menos costosa, de un motor más pequeño y de un ahorro en potencia sobre la vida esperada del sistema. b. Cimentación y alineamiento La bomba debe colocarse sobre cimentos sólidos y nivelados, fácilmente accesible para la inspección y reparación. Es esencial que el eje motriz y el conducido estén en perfecto alineamiento. La recomendación del fabricante sobre la excentricidad y paralelismo debe seguirse siempre y verificarse ocasionalmente. c. Arranque En el caso de la succión debe preverse una conexión de cebado y debe colocarse una válvula de alivio, del 5% al 10% por encima de la presión máxima de trabajo en el lado de la descarga. [1]. Bajo condiciones normales de operación y con líneas de admisión completamente selladas y elementos de bombeo sumergidos, una bomba de tornillo es autocebante. El arranque de la unidad puede significar, simplemente, abrir las válvulas de succión y de descarga y arrancar el motor. Siempre es aconsejable cebar la unidad en el arranque inicial para mojar los tornillos. En las instalaciones nuevas, el sistema puede estar lleno de aire que hay que

89 81 eliminar. Si esto no se hace, el comportamiento de la unidad será errático y en ciertos casos, el aire en el sistema puede impedir el bombeo de la unidad. El cebado de la bomba consistirá de preferencia en llenar, no sólo la bomba con fluido, sino también la línea de succión si es posible. El lado de la descarga de la bomba debe ventearse en el arranque inicial. El venteo es esencial, especialmente en donde la línea de succión es larga o donde la bomba está descargando contra presión en el sistema en el arranque. Si la bomba no descarga después del arranque, la unidad debe pararse inmediatamente. Después, la bomba debe cebarse y tratar de arrancarla de nuevo. Si aún así no jala líquido rápidamente, puede deberse a una fuga en la línea de succión o el problema pudiera atribuirse a una excesiva elevación de succión debido a una obstrucción, a una válvula estrangulada o a algunas otras causas. Instalando un manómetro en dicha línea se ayudará a localizar el problema. Una vez que la bomba de tornillo está en servicio, deberá continuar operando satisfactoriamente, sin prácticamente ninguna atención más que una inspección ocasional del empaque o sello mecánico para verificar si hay fuga excesiva y una inspección periódica para atender que el alineamiento se mantenga dentro de límites razonables. d. Operación ruidosa En caso en que la bomba empiece a producir ruido después de una operación satisfactoria, podría indicar una excesiva elevación de succión debido al líquido frío, aire en el líquido, desalineamiento en el acoplamiento, desgaste excesivo, etc. e. Abrasivos Puesto que las bombas de tornillo dependen de claros cerrados para una acción de bombeo adecuada, el manejo de líquidos abrasivos normalmente originará un rápido desgaste. Mucho progreso se ha logrado en el uso de materiales más duros y más resistentes a la abrasión para los elementos de bombeo, de manera que pueda realizarse un buen trabajo en algunos casos. Sin embargo, no se puede decir que el comportamiento es siempre satisfactorio cuando se manejan líquidos excesivamente cargados con materiales abrasivos. En general, las bombas de tornillo no deberían usarse para el manejo de fluidos con estas características, a menos que se acepte de antemano una vida corta de la bomba y una frecuencia mayor de reemplazo.

90 Capítulo IV Situación actual de los equipos de bombeo en la Estación N Introducción Como se mencionó en el primer capítulo, las consideraciones de diseño fueron realizadas para unas condiciones que no se asemejan a las condiciones actuales de funcionamiento en todo el Oleoducto Nor Peruano. El Tramo I fue diseñado para bombear un caudal de petróleo crudo de 250 MBPD con las siguientes características: Gravedad API : Peso específico : C : 52 cst En la actualidad, en la Estación N 01 se recibe la producción del Lote 08 y el Residual Primario de la Refinería Iquitos. El bombeo es realizado mediante batches debido a los distintos tipos de crudos que son transportados. Actualmente, los distintos tipos de crudos que son bombeados por el Tramo I presentan las siguientes características, mostradas en la tabla Este capítulo ha sido desarrollado en base a las referencias [6] y [15].

91 84 Tabla 4.1. Tipos de crudo en Estación N 01 Procedencia API Densidad kg 3 m Viscosidad en cst a 22.5 C 12 Volumen mensual a transportar Metros Barriles cúbicos Mezcla Yanayacu y Residual Maquila Mayna Pesado Residual Petroperú Total de crudo a transportar desde Estación El volumen promedio diario total de hidrocarburo que se produce en el Lote 08 es de 17 MBPD, de los cuáles 13 MBPD son enviados hacia la Estación 5. Tanto la producción como la calidad del crudo bombeado está disminuyendo progresivamente respecto de las condiciones de diseño según la información técnica existente y la experiencia operativa, lo que ocasiona que las actuales Motobombas centrífugas operen con rendimientos muy bajos, conllevando a generar elevados costos de operación y mantenimiento. Se presenta a continuación los pronósticos de producción en el Lote 08 en los próximos años. (ver Fig.4.1) Fig.4.1. Pronósticos de producción de Lote 08 Producción LOTE 08 BPD Años (Elaboración propia) 12 Se calculó la viscosidad a esta temperatura mediante pruebas de laboratorio.

92 Descripción del equipo actual de bombeo En las tablas 4.2, 4.3 y 4.4, se detallan los equipos de bombeo actuales que se tienen en Estación N 01. Motobomba 1 MB-1 Tabla 4.2.Características de la motobomba 1 MB-1 MOTOR CATERPILLAR MODELO D-398 POTENCIA (HP) 825 VELOCIDAD (rpm) 1200 BOMBA BINGHAM MODELO MSD 8x10x3A ETAPAS 3 VELOCIDAD (rpm) 3600 CAUDAL (GPM) 750 Turbobomba 1 GT-2 Tabla 4.3.Características de la turbobomba 1 GT-2 TURBINA ROUSTON MODELO TA1750 POTENCIA (HP) 1600 VELOCIDAD (rpm) 1200 BOMBA BINGHAM MODELO MSD 8x10x3A ETAPAS 3 VELOCIDAD (rpm) 3600 CAUDAL (GPM) 2590 Caja de cambios Tabla 4.4.Características de la caja de cambios MARCA LUFKIN TAMAÑO TA1750 RATIO 3 FACTOR DE SERVICIO 0.95 VELOCIDAD DE ENTRADA (rpm) 1206 POTENCIA (HP) 1385 CAPACIDAD (galones) 33 La operación normal de bombeo se realiza con la motobomba centrífuga 1MB1, teniendo como equipo de reserva a la turbobomba en caso se de mantenimiento de una de ellas o por inventarios altos de crudo.

93 86 Existen dos electrobombas de inyección o refuerzo conocidas como booster, las cuáles dan una presión de succión constante en los equipos de bombeo. Este dato es importante para los cálculos posteriores Bombeo de crudos pesados con las actuales bombas centrífugas Simulación hidráulica del Tramo I Para poder realizar un estudio detallado del comportamiento de las bombas centrífugas se ha implementado una simulación hidráulica en una hoja de Excel, adjuntada en el Anexo III. Esta simulación obtiene la presión de descarga del equipo de bombeo, así como la presión máxima a admitir en la línea. Dicha simulación ha sido realizada en base a las siguientes hipótesis: a) Solo se consideraron pérdidas longitudinales por fricción, despreciando los accesorios que no influyen notoriamente en las pérdidas totales debido a la longitud del tramo. b) Los datos de presiones de succión y de llegada a la Estación N 05 han sido obtenidas en campo. c) Las viscosidades son las mencionadas anteriormente y fueron debidamente examinadas en laboratorio para obtener los valores mencionados Descripción general La simulación representará el funcionamiento del Tramo I, el cuál será analizado punto a punto hasta el fin del tramo. En cada uno de esos puntos se obtendrán los principales parámetros hidráulicos y serán comparados con los de la tubería con la finalidad de comparar y sacar conclusiones respecto al sistema simulado. Los principales parámetros en consideración son los siguientes: a) Presión máxima admisible de la tubería En este caso se le da un factor de seguridad del 72 % de la presión máxima admisible, debido a criterio y recomendación del diseñador de dicho tramo. Dicha presión máxima admisible viene determinada por la siguiente fórmula: P max 2 σ = ρ φ fluencia tuberia t g [5] (4.1)

94 87 Donde: σ ( N 2 ) : Esfuerzo de fluencia del material de la tubería. fluencia m t (mm) : Espesor de la tubería. kg ρ ( 3 ): Densidad del fluido a transportar. m φ tuberia (mm): Diámetro externo de la tubería. g ( m 2 ): Aceleración de la gravedad. s Dicha presión es manométrica, para obtener presión absoluta hay que añadirle la altura geodésica o topográfica a lo largo del tramo de la tubería. b) Número de Reynolds Se calcula para determinar el régimen en que se encuentra el flujo y en base a eso poder determinar las pérdidas por fricción de la tubería. Para el detalle del cálculo de este parámetro ver el Apéndice A, apartado A.2.6. c) Coeficiente de fricción Es necesario para poder calcular las pérdidas por fricción. El procedimiento de cálculo se puede encontrar en el Apéndice A, apartado A.2.7 d) Pérdidas de presión Solo serán consideradas las pérdidas primarias, las secundarias serán despreciadas debido a la longitud del tramo. Para mayor detalle e información del cálculo ver Apéndice A, apartado A.2.8 e) Presión absoluta de bombeo La presión absoluta de bombeo es la presión mínima necesaria para poder vencer las pérdidas de presión en la tubería y poder llegar al punto final del tramo. Dicha presión, al igual que los demás cálculos en la simulación, es calculada punto por punto y se encuentra representada por la siguiente ecuación. h = h + pérdidas + p (4.2) bombeo topografica llegada Donde: h bombeo (m) : Altura de presión en bombeo. h (m) : Altura topográfica o geodésica a lo largo del tramo. topografica Pérdidas (m) : Pérdidas de presión por cada punto del tramo. p (m) : Presión de llegada, definida por el usuario, al final del tramo. llegada

95 88 f) Presión en la tubería Para determinar la presión en la tubería no se usan presiones absolutas, por lo tanto, consiste en quitarle la altura geodésica o topográfica a la altura de presión en bombeo, quedando lo siguiente. Es la presión de bombeo manométrica. p tuberia = h bombeo h topografic a (4.3) Donde: h bombeo (m) : Altura de presión en bombeo. h (m) : Altura topográfica o geodésica a lo largo del tramo. topografica p tuberia (m) : Presión manométrica en la tubería. g) Presión de descarga La presión de descarga es la presión que va a necesitar el equipo de bombeo para poder llevar el líquido en el tramo. Es calculada como la presión en la tubería del primer punto, es decir, en el inicio del Tramo. Donde: p = desc arg a p tuberia (4.4) pdesc arg a (m) : Presión necesaria por el equipo de bombeo Cálculos hidráulicos Ya se ha descrito el funcionamiento de la hoja de cálculo que realiza la simulación hidráulica en el Tramo I, inmediatamente se procede a realizar el cálculo de los principales parámetros hidráulicos que aparecen mostrados en el anexo III Datos de entrada a) Selección de caudal Para la selección del caudal óptimo para el bombeo en dicho tramo se tomarán en cuenta los pronósticos de producción de crudo en el Lote 08, teniendo en cuenta el número de días de bombeo necesarios para adquirir un equilibrio entre producción y caudal a elegir. En el Anexo IV se muestra un estudio de los pronósticos de producción, así como los días operativos necesarios de bombeo para los distintos caudales a bombear. Actualmente, se bombea a un caudal de 17 MBPD, y de acuerdo a los pronósticos de producción se hará un análisis hidráulico del tramo entre 17 MBPD y 20 MBPD que son los óptimos de acuerdo a los días operativos de bombeo por mes.

96 89 b) Datos de la instalación El Tramo I presenta una longitud de 306 km y alturas de elevación mínima de metros de agua y 275 metros de agua de elevación máxima. En la Tabla 4.5 se presenta el resumen de los datos de instalación. Tabla 4.5. Datos de Instalación c) Datos de tubería TRAMO I Longitud de bombeo (km) 306 Altura de elevación (m) Toda la tubería es de acero y reúne los requerimientos establecidos en el API Standard 5LX, Specifications for High-Test Line Pipe. El material es de grado X-52 y presenta un límite mínimo a la fluencia de psi. El diámetro exterior es de 24 pulgadas con un espesor promedio de 6.35 mm, aunque presenta un tramo que el espesor es de 12.7 mm. Se toma un factor de seguridad del 72% para el cálculo de las presiones máximas admisibles en la tubería. En la tabla 4.6 se presenta el resumen de los datos principales de la tubería. Tabla 4.6. Datos de tubería d) Datos de los fluidos DATOS DE TUBERÍA Esfuerzo de fluencia (psi) Esfuerzo de fluencia ( N / m ) Porcentaje de trabajo 72% Diámetro (pulgadas) 24 Espesor promedio(mm) 6.35 Los fluidos a bombear tienen las mismas características que los mencionados en el acápite 4.1 de este capítulo. e) Presiones en campo Para desarrollar la simulación es necesario tener los datos de presión tanto de succión como la de llegada al final del tramo que es en la Estación Nº 05. La presión de succión, como se mencionó anteriormente, es proporcionada por unas electrobombas de inyección que hacen que dicha presión sea constante para evitar la cavitación de la bomba principal. Dicha presión es aproximadamente de 3 kg 2. cm 8

97 90 La presión de llegada a la Estación Nº 05 es determinada según el usuario, si se requiere una mayor presión de llegada lógicamente tendría que darse mayor descarga en el inicio del bombeo. Es del orden de los 2 kg 2. cm En la tabla 4.7 se presenta las presiones obtenidas en campo. Tabla 4.7. Presiones obtenidas en campo kg m 2 cm psi Presión de succión Presión de llegada de Estación Nº Todas las presiones en campo son datos obtenidos en cada Estación del Oleoducto Nor Peruano Resultados Con los datos de entrada mencionados anteriormente se procedió a realizar la simulación para dos valores distintos de caudal y así poder visualizar el estado de las bombas centrífugas para cada caso analizado. En el Anexo III se presentan los resultados y gráficos detallados a lo largo del Tramo I y en la tabla 4.8 se describen las presiones de descarga obtenidas para los distintos caudales utilizados en el cálculo. Tabla 4.8. Presiones de descarga Viscosidad Caudal Presión de descarga máxima m 3 h m 3 s kg cm 2 (cst) MBPD GPM psi En el Anexo III se puede observar que para los casos analizados, la presión de descarga es menor que la presión máxima admisible de la tubería. Por lo tanto, sí es posible realizar el bombeo por el tramo de 24 pulgadas, sin presentar problemas de sobrepresión en la tubería Cálculo de las curvas características de las unidades de bombeo Como ya se mencionó anteriormente, el equipo principal de bombeo en la Estación Nº 01 es una bomba centrífuga accionada con un motor diesel.

98 91 Dicha bomba presenta unas curvas características dadas por el fabricante, las cuales se muestran en el Anexo V. Esas curvas fueron desarrolladas en base a los parámetros de diseño con los que se seleccionó dicho equipo de bombeo. Los parámetros de diseño han cambiado, teniendo como principales modificaciones la viscosidad de los crudos bombeados y la disminución de los caudales de bombeo, debido a la baja de producción en el Lote 08. Se sabe que las curvas de una bomba cambian a medida que la viscosidad del fluido a bombear cambia. Esos cambios lógicamente influyen en el rendimiento del equipo de bombeo, ya que al equipo le cuesta más bombear fluidos más viscosos. Para obtener las curvas características primero se debe corregir la curva de la bomba por viscosidad, en base a la curva original de la bomba presentada en el Anexo V. En dicha corrección se utilizaron los métodos expuestos en el capítulo II, con los que se obtienen los factores de corrección por viscosidad. Al tener bombeo mediante batches, se corrige la curva en base a la viscosidad más crítica que es de 1200 centistokes. En la tabla 4.9 se presentan los datos nominales iniciales considerados por el fabricante para la construcción de la curva original, así como la viscosidad a la que se va a corregir la curva inicial. Tabla 4.9.Datos del equipo de bombeo en Estación N º 01 Estación 1 Viscosidad (cst) 1200 H (metros) n Q n (MBPD) 73.7 Nº de etapas 3 Con los datos expuestos en la tabla 4.9 se obtienen los siguientes factores de corrección, que se muestran en la tabla Dichos factores de corrección se encuentran utilizando los métodos mencionados en el capítulo II. Tabla 4.10.Factores de corrección por viscosidad Viscosidad (cst) C η C Q 0.6Q n 0.8Q n C H Q n 1.2 Q n En el Anexo V se determinan las curvas de la bomba, las cuales consisten en:

99 92 - Curvas Caudal vs Altura de la bomba corregida y sin corrección por viscosidad, así como la curva de instalación del sistema. (Para detalle de cómo se construye la curva de instalación, ver Apéndice A, apartado A.2.11). - Curvas Caudal vs Eficiencia de la bomba corregida y sin corrección por viscosidad. Para el detalle de cómo han sido construida las curvas se adjunta la hoja de Excel en digital en un CD Análisis de la situación actual del equipo de bombeo Punto de funcionamiento y rendimiento Según las curvas del Anexo V, al modificar las curvas por viscosidad el punto de funcionamiento para el que se diseñó la bomba varía. El nuevo punto de funcionamiento corregido por viscosidad se muestra en la tabla Tabla 4.11.Nuevo punto de funcionamiento Estación 01 Viscosidad (cst) 1200 H(m) Q(MBPD) η % En la tabla 4.12 se presentan los rendimientos obtenidos, según vaya variándose el caudal en la bomba centrífuga. Tabla Rendimientos en bomba centrífuga Caudal (MBPD) Viscosidad (cst) η % BOMBA La eficiencia de la bomba para los distintos casos es bastante baja, no siendo recomendable técnicamente. Además, el punto de funcionamiento mostrado en la tabla 4.11 no coincide con los caudales o rate de bombeo requeridos, por lo cual es necesario corregirlos por velocidad. Para dichas correcciones por velocidad se usan los siguientes criterios: El caudal variará en relación directa con la velocidad de giro: Q 2 n2 = Q1 n 1 (4.5)

100 93 La altura variará de acuerdo con la relación de la velocidad al cuadrado: H = H n n 1 2 (4.6) Las relaciones de proporcionalidad sólo pueden ser aplicadas entre dos puntos de igual rendimiento, por lo tanto, ambos deben estar ubicados sobre la misma curva de isorendimiento, la cual tiene la siguiente forma: H 2 = a Q, donde a es una constante. (4.7) Aplicando las relaciones anteriores se obtienen los nuevos puntos de funcionamiento de la bomba centrífuga, corregidos por velocidad en la siguiente tabla. Tabla 4.13.Rendimientos en bomba centrífuga Caudal de bombeo (MBPD) Estación 01 (3600 rpm) Viscosidad. Viscosidad (cst) (cst) 1200 H(m) 771 H(m) 1066 N (rpm) 4760 N (rpm) 5600 η % 23 η % 25 Se observa que aumentando la velocidad de giro, el rendimiento aumenta, pero sigue teniendo valores bajos que no ayudan al correcto funcionamiento del equipo de bombeo. Además se tiene que las velocidades de giro por parte de la bomba son elevadas y para cubrir dichas velocidades sería necesario el uso de una caja de cambios distinta, lo cual genera un gasto extra, presentando de igual manera rendimientos bajos que no son favorables técnicamente ni económicamente Potencia requerida por la bomba Para los cálculos de potencia, vamos a trabajar con potencia hidráulica y potencia de accionamiento que dependen de las siguientes fórmulas: a) Potencia hidráulica: P H = ρ g Q H (4.8) b) Potencia de accionamiento: P a ρ g Q H = η (4.9) Basándonos en lo mencionado anteriormente, se han obtenido los siguientes resultados que se muestran en la tabla bomba

101 94 Tabla 4.14.Potencia requerida por la bomba centrífuga Caudal (MBPD) Viscosidad (cst) P (HP) H η % BOMBA P a (HP) Potencia requerida por el motor Como se ha mencionado anteriormente, la Estación 01 tiene como equipo principal de bombeo a una bomba centrífuga accionada por un motor Caterpillar D-398 de 825 HP. Dicho motor es acoplado con la bomba centrífuga a través de una caja de cambios multiplicadora que influye en los cambios de velocidad y modifica ligeramente la potencia requerida por la unidad motriz debido al rendimiento en la caja. La ecuación de potencia requerida queda modificada de la siguiente manera: ρ g Q H Pa = η η bomba caja (4.10) En la tabla 4.15 se presentan los resultados obtenidos: Tabla Potencia requerida por el motor Caudal (MBPD) Viscosidad (cst) P (HP) H η % BOMBA η CAJA % P (HP) a Según los resultados obtenidos, se tiene que el motor actual solamente puede operar para caudales de 15 y 17 MBPD más no para 20 MBPD que requiere una potencia mayor a la suministrada por la unidad motriz.

102 95 Si bien es cierto el motor se encuentra en condiciones de operación para un caudal de 17 MBPD, la potencia requerida es muy próxima a la suministrada por el motor lo que no es conveniente técnicamente elevando los costos de mantenimiento y operación Consumos de combustible de la unidad motriz Con los datos de potencia requerida obtenidos en los acápites anteriores, se calcula el consumo de combustible de estos motores, haciendo uso de las curvas características del motor CAT D-398 mostradas en las figuras 4.2, 4.3 y 4.4. Dichas curvas han sido proporcionadas por el fabricante. Fig.4.2. Curva Potencia vs Velocidad del motor CAT D-398 (Elaboración propia a partir de datos del fabricante) Fig.4.3. Curva Par motor vs Velocidad del motor CAT D-398 (Elaboración propia a partir de datos del fabricante)

103 96 Fig.4.4. Consumo de combustible vs Velocidad del motor CAT D-398 (Elaboración propia a partir de datos del fabricante) El cálculo del consumo de combustible del motor en galones por hora está en función de la potencia requerida y la densidad del fluido, en este caso el diesel. Se hace el uso de la siguiente fórmula: consumo = k cec P a (4.11) Donde: k : Conversión de unidades de masa a volumen por unidad de tiempo, para el diesel es cec : Consumo específico de combustible en lb/hp al freno. P a : Potencia requerida en HP. Consumo : Consumo de combustible en galones por hora. En la siguiente tabla se presentan los resultados obtenidos en base a lo mencionado anteriormente. Tabla Consumo de combustible del motor D-398 Caudal 17 MBPD 20 MBPD Viscosidad (cst) P (HP) a lb/bhp-h gal/h

104 97 Se puede apreciar el elevado consumo de combustible, el cual se eleva a medida que la potencia aumenta. Para 20 MBPD no se puede realizar el cálculo debido a no contar con la potencia requerida para dicho escenario. Se puede concluir que el equipo de bombeo actual, comprendido por una motobomba centrífuga, no se encuentra en las mejores condiciones de funcionamiento presentando deficiencias técnicas y económicas. Técnicamente presenta rendimientos muy bajos no recomendables para la operación y, además, requiere de potencias muy elevadas que se reflejan en elevados consumos de combustible que hacen el costo de operación muy elevado. Al poseer los equipos más de 30 años de antigüedad, se genera un incremento en costos de mantenimiento debido a que los repuestos son muy escasos en el mercado. Es recomendable optar por otros equipos que se adecuen a las actuales y próximas condiciones de operación, reduciendo costos y aumentando eficiencias técnicas para una mejor performance de la empresa.

105 Capítulo V Selección y especificación del equipo de bombeo para el crudo a bombear en el Tramo I del Oleoducto Nor Peruano Introducción Como se vio en el capítulo III, las bombas de desplazamiento positivo tipo tornillo han sido utilizadas para el transporte de fluidos desde hace muchos años. Son ideales para una gran variedad de aplicaciones en diferentes industrias, pueden bombear o transferir productos con alta o baja viscosidad. Este tipo de bombas son diseñadas para soportar las condiciones más adversas de trabajo, como es la extracción de crudo y gas, se caracterizan por una gran robustez y fiabilidad Características principales de las bombas tipo tornillo Las bombas de desplazamiento positivo tipo tornillo presentan varias ventajas respecto a las bombas centrífugas, como por ejemplo: a) Las bombas centrífugas crean un diferencial de presión, en cambio las bombas de tornillo crean flujo o caudal. (ver Fig. 5.1 y Fig.5.2) 13 Este capítulo ha sido desarrollado en base a las referencias [9], [12], [13], [14] y [16].

106 100 Fig.5.1.Comportamiento de las bombas centrífugas Presión Caudal Fig.5.2. Comportamiento de las bombas de tornillo Caudal Presión b) Las bombas de tornillo presentan una amplia operación para diferentes caudales o flujos y presiones. Como toda curva de una bomba o sistema presenta dependencia de la viscosidad variando sus gráficas, en las figuras 5.3 y 5.4 se muestran las curvas caudal versus presión de una bomba centrífuga y de una bomba de tornillo respectivamente, para poder apreciar las diferencias entre ambas bombas. Fig.5.3. Comportamiento de las bombas centrífugas Curva del sistema con alta viscosidad PRESIÓN Curva del sistema con baja viscosidad Baja viscosidad CAUDAL Alta viscosidad

107 101 Fig.5.4. Comportamiento de las bombas tornillo Baja viscosidad Alta viscosidad Curva del sistema con alta viscosidad PRESIÓN Curva del sistema con baja viscosidad CAUDAL c) Presentan mayor gama de líquidos y viscosidades, siendo mucho más eficientes que las bombas centrífugas en estas circunstancias. (Hasta dos veces más eficientes que las bombas centrífugas para bombeo de crudos por encima de 100 cst). (ver Fig. 5.5) Fig.5.5. Comparación de eficiencias entre bombas centrífugas y tornillo

108 102 d) Las bombas tipo tornillo al trabajar en paralelo presentan un mejor comportamiento que las bombas centrífugas. Casi duplican su capacidad o caudal de bombeo mientras que las centrífugas solo aumentan la capacidad en 30%. Las figuras 5.6 y 5.7 muestran el comportamiento de ambas bombas.[14] Fig.5.6. Comportamiento en paralelo de las bombas tipo tornillo Sistema 2 PRESIÓN Sistema 1 Con una bomba Con dos bombas CAPACIDAD Fig.5.7. Comportamiento en paralelo de una bomba centrífuga Sistema 2 PRESIÓN Sistema 1 Con una bomba Con dos bombas CAPACIDAD

109 103 e) Tienen la posibilidad de manejar altas velocidades, permitiendo la libertad de selección de unidad motriz. f) Son autocebantes, además de presentar buenas características de succión. g) Cuentan con baja vibración mecánica, flujo libre de pulsaciones y operación suave (ver Fig. 5.8). Fig.5.8. Pulsaciones de bomba de movimiento alternativo h) Poseen un diseño sólido y compacto, fácil de instalar y mantener. i) Cuentan con una elevada tolerancia a la contaminación Selección del equipo de bombeo Como ya se ha analizado en los capítulos anteriores, las bombas centrífugas no son las idóneas para la situación que presenta actualmente el Tramo I del Oleoducto Norperuano; sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo tipo tornillo se adecúan a los requerimientos actuales. Este tipo de bombas de desplazamiento positivo brindan un mejor funcionamiento técnico, ahorro en lo concerniente a consumos de combustible y costos de mantenimiento siendo la alternativa más adecuada para el bombeo de crudos altamente viscosos como los que se producen actualmente en la Selva Peruana. Para la selección de las bombas tipo tornillo, de acuerdo a la actividad de transporte de crudos, se tiene como variantes la bomba de dos tornillos y la de tres tornillos. Previamente a la selección se presentarán los rangos de operación en las que se desenvuelven los distintos modelos de cada uno de los tipos de bomba.

110 104 No se entrará en detalle en los principios de funcionamiento ni fundamentos técnicos que ya fueron estudiados en el capítulo III Bombas de dos tornillos Las bombas de dos tornillos son capaces de bombear amplios rangos de caudal, teniendo presiones de salida entre los 100 y 1500 psi (ver Fig. 5.9). Fig.5.9. Rango de funcionamiento de bomba de dos tornillos [9] Bombas de tres tornillos Las bombas de tres tornillos son capaces de alcanzar una descarga de 2000 psi sin embargo, por encima de los 300 psi bombean 32.5 MBPD como máximo (ver Fig. 5.10). Fig Rango de funcionamiento de bomba de tres tornillos [9]

111 Selección y especificación de la bomba a utilizar La selección y especificación de la bomba idónea a utilizar se hará tomando en cuenta los parámetros principales a satisfacer en el bombeo de crudos altamente viscosos. En el capítulo IV, se planteó que el caudal de bombeo óptimo de acuerdo a los días operativos de bombeo debe ser entre 17 y 20 MBPD.; dentro de dicho rango se tienen los siguientes parámetros indicados en la tabla 5.1. Tabla 5.1. Parámetros de bombeo Caudal (MBPD) Altura requerida (psi) Presión de succión kg cm Temperatura ( C) Viscosidad (cst) Gravedad específica Dentro de los parámetros indicados anteriormente y comparando con los gráficos de las figuras 5.9 y 5.10 mostradas en el apartado anterior, se puede determinar que tanto las bombas de dos tornillos como la de tres tornillos son aplicables para las dos situaciones planteadas. Nuestra alternativa de solución es la bomba de tres tornillos, debido a que según la aplicación que se tiene es la más utilizada en estos tiempos; aparte que ya se encuentran en instalación unas de este tipo en las Estaciones de Andoas y Morona, siendo conveniente la uniformización. Además, se consultó con el proveedor de las bombas tipo tornillo (IMO PUMP) y nos indican que no es recomendable el uso de las bombas de 2 tornillos debido a que según la aplicación no es la más utilizada al tener costos muy elevados de mantenimiento. Dicho tipo de bombas son utilizadas cuando se tienen crudos con elevados porcentajes de agua y son perjudiciales para los otros tipos de bombas. Para la selección del tipo de bomba de tres tornillos a usar en la Estación N 01, así como para la obtención de las principales curvas características se utilizará el software WIPS (Windows Imo Pump Selection) brindado por la empresa IMO PUMP. Este software permite una selección mucho más exacta que las tablas mostradas anteriormente, las cuáles sirven para una selección rápida y práctica.

112 Descripción del software WIPS WIPS Program (Windows Imo Pump Selection) es un programa que es utilizado para seleccionar bombas estándar de tres tornillos, basados en las condiciones de operación que el usuario ingrese. Si es que dadas las condiciones ingresadas, el programa no encuentra ningún tipo de bomba en su base de datos, contactarse con el proveedor para dar alguna otra solución. Para el uso del software es necesaria la descripción de algunas partes del programa para su mayor entendimiento. a) Parámetros principales de la bomba En esta sección, el usuario tiene la opción de elegir el tipo de bomba a usar o que el programa le arroje la más recomendada. Además tiene la opción de elegir la frecuencia a la que trabaja la unidad motriz, en el caso que sea motor eléctrico; así como se elige el tipo de fluido con el que se va a trabajar, indicando su gravedad específica. En la figura 5.11, se muestran los parámetros principales de la bomba a seleccionar. Fig Parámetros principales de la bomba En la figura 5.12, se muestran las opciones que se tienen para seleccionar la frecuencia a utilizar. Fig Frecuencia a la que trabaja la unidad motriz

113 107 En la figura 5.13 se puede distinguir los distintos tipos de fluido que presenta por defecto el programa, así como el recuadro para indicar la gravedad específica de alguno de los mencionados. Fig Tipo de fluido a utilizar En la figura 5.14 se muestra el listado de bombas de tres tornillos que el programa presenta en su base de datos. Fig Tipos de bombas de tres tornillos a usar b) Datos de entrada o condiciones de operación Los datos de entrada permiten al usuario definir las condiciones de operación de nuestro sistema a implementar. Para seleccionar un tipo de bomba o calcular la performance de una bomba en específico, es necesario conocer las condiciones de operación del sistema. En

114 108 este software se ingresan cuatro condiciones diferentes, las cuales tienen que estar llenas para poder realizar la selección, aunque el programa realiza la selección para la primera condición (los otros son utilizados para ver los resultados en dichos casos). Dentro de los datos de entrada se puede elegir las unidades que más sean convenientes. Los datos de entrada necesarios son los siguientes: Velocidad de rotación de la bomba. Presión de descarga o altura requerida. Presión de succión. Temperatura de operación. Viscosidad del fluido. Caudal o rate de bombeo. En las figuras 5.14, 5.15 y 5.16 se observa la interfaz del programa con los distintos parámetros de entrada a ingresar. Fig Datos de entrada del software WIPS