Práctica No. 3, Dinámica

7/24/2019 Prctica No. 3, Dinmica

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Universidad Rafael LandvarFacultad de IngenieraIngeniera CivilDinmica, Laboratorio, Seccin 02Ing. Jorge Mario Rodas

BOMBA PETROLERA

Andrs Asturias 1286307___________Miguel Delgado 1110413 ___________Javier Galindo 1560610 ___________

Guatemala, lunes 5 de octubre de 2015


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NDICE

Introduccin.... 3

Justificacin...4

Planteamiento del problema 5

Objetivos.. 5

Marco Terico..... 6

Relato de la prctica .9

Mediciones y clculos...13

Discusin de resultados ...18

Conclusiones.. 19

Recomendaciones.19

Lecciones aprendidas....20

Bibliografa... 20

Anexos..21


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INTRODUCCIN

La prctica de laboratorio #3 se llev a cabo el da lunes 28 de septiembre del

2015, la cual consisti en elaborar una estructura a escala utilizando las piezas de

plstico del Fischertecnik.

Siguiendo las instrucciones detalladas en el manual del Fischertecnik, los

estudiantes de dinmica partcipes: Miguel Delgado, Andrs Asturias y Javier

Galindo, lograran observar la construccin y funcionamiento de una bomba de

varillas desde sus cimientos hasta las piezas en movimiento.

Pudieron observar de esta manera el diseo que tienen las bombas de varillas,

las medidas aproximadas de su base, columnas, sus vigas y contra pesos tambin

como cmo interactan sus partes en movimiento. La estructura del laboratorio es

30 veces ms pequea que una estructura de la vida real, por lo que este dato se

consider al momento de efectuar clculos y conclusiones al respecto.

La investigacin permiti que los estudiantes pudieran percatarse de las distintas

partes de las cuales consta una bomba de varillas real, as como tambin pudieron

observar de qu material son construidas dichos productos y la manera correcta

de utilizar este tipo de mquinas en la industria.


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JUSTIFICACIN

Es necesario que los estudiantes presten debida atencin a esta prctica por

varias razones. Principalmente que el modelo a escala de la bomba de varillas

describe fielmente el movimiento realizado por este tipo de mquinas en la vidareal por lo que le brinda una idea a los futuros ingenieros de cul es el

funcionamiento de estos.

En segundo lugar, la prctica exige que los estudiantes investiguen de

proveedores de este tipo de aparatos lo cual les servir si en algn momento en

su vida profesional necesitan conseguir una bomba de varillas o respuestas para

una.

Es importante que los futuros ingenieros empiecen a desarrollar su mentalidad de

tal forma que el comportamiento de estos aparatos pueda parecer lgico para

ellos. De esa forma cuando se produzca una anomala en el movimiento de una

bomba de varillas puedan identificarlo sin mayor esfuerzo.


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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Desde el momento en que da inicio la tercera prctica de laboratorio, se escucha

repetitivamente el trmino de bomba de varillas, el cual muchos de los estudiantes

no consideran un dato conocido dentro de los conceptos aprendidos en la clase deDinmica.

Al conocer el significado y algunas de las funciones de las bombas de varillas, los

estudiantes se encontraron con algunas interrogantes, las cuales se pretenden

responder a travs de este informe. Algunas de las dudas que se presentaron a la

hora de realizar la prctica son:

Cul es la funcin ms importante de una bomba de varillas?

Cul es la frecuencia de una bomba de varillas?

En cunto tiempo finaliza una revolucin la bomba de varillas?

Es necesario el uso del motor para observar mejor el trabajo que efecta

la bomba de varillas?

Cul es la potencia transmitida por una bomba de varillas?

OBJETIVOSGENERAL

Estudiar el comportamiento de una bomba de petrleo.

ESPECFICOS

Determinar la velocidad angular del motor para accionar la bomba.

Determinar el momento de inercia del pndulo.

Determinar la aceleracin angular de la bomba de petrleo. Determinar la potencia necesaria para accionar la bomba.


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MARCO TERICO

I. BOMBA PETROLERA

Una bomba petrolera como la construida es conocida tambin como bomba de

varilla, guanaco, cigea, unidad de bombeo, vlvula para pozos

petroleros, bomba de viga o AIB por las siglas de Aparato Independiente de

Bombeo, es la parte superficial de una bomba impelente de pistn, instalada en

una perforacinpetrolera.

Es utilizada para levantar mecnicamente el lquido del pozo cuando no hay

suficiente presin en el yacimiento para que el lquido fluya hasta la superficie por

si solo como lo hace en los pozos surgentes.

Es de uso general en pozos terrestres que producen relativamente poco petrleo.

Las bombas de varilla son comunes en muchos yacimientos petrolferos,

normalmente desparramadas por el campo y sirviendo algunas veces

como sealde referencia.

Dependiendo del tamao de la bomba, produce generalmente 5 a 40 litrosde una

mezcla de petrleo crudo y agua en cada movimiento. El tamao de la bomba

tambin es determinado por la profundidad y el peso del petrleo crudo a extraer,donde una extraccin ms profunda requiere ms energa para mover mayores

longitudes de la columna de fluido.

Funcionamiento

Un mecanismo de biela-manivelaconvierte el movimiento rotatorio del motor a un

movimiento alternativo vertical que mueve la varilla de la bomba, y produce el

movimiento de cabeceo caracterstico. Un mecanismo similar era empleado

con motor de vaporpara evacuar agua de las minas de carbnen los siglos XVI y

XVII.

Las bombas de varilla son accionadas por un motor. ste es comnmente

un motor elctrico, pero en locaciones aisladas sin acceso a la electricidad puede


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estar reemplazado por un motor de combustin. El funcionamiento ms comn de

los motores es mediante el gas producido en la columna anular, aunque

actualmente la tendencia es el funcionamiento mediante diesel. Tales motores se

colocan a menudo en un gabinete para protegerlos de la intemperie.

El motor primero mueve un sistema de poleas que mueve una biela contrapesada,

para ayudar a compensar el peso de las barras de acero que llegan hasta el fondo

del pozo. La biela alternativamente sube y baja una manivela conectada al

extremo de una viga en I que est libre para moverse en un marco con forma de

A.

Cuando las varillas comienzan a empujar hacia abajo, la vlvula que viaja se abre

y la vlvula fija se cierra (debido a un aumento en la presin del cilindro de la

bomba). El lquido en el cilindro (que fue aspirado adentro durante la carrera

ascendente) fluye para arriba a travs de la vlvula viajera. El pistn despus

alcanza el extremo de su movimiento y comienza su trayectoria hacia arriba otra

vez, repitiendo el proceso. A menudo, el gas se produce en las mismas

perforaciones que el crudo. Esto puede ser problemtico si el gas llega al cilindro

porque puede dar lugar a cavitaciones que traban la bomba, donde debido a la

alta compresibilidad del gas la presin que se acumula en el cilindro no es

suficiente para abrir las vlvulas y se bombea poco o nada. Para evitar esto, la

entrada para la bomba se coloca debajo de las perforaciones. Cuando el gas se

incorpora con las perforaciones, burbujea hasta la pieza anular (el espacio entre la

cubierta y la tubera) y no tiene oportunidad de entrar en la bomba. Una vez en la

superficie, el gas se recoge a travs de un tubo conectado con la pieza anular. Y

bien es usado para el motor o es comprimido y despachado junto con el crudo por

la tubera de superficie hasta las bateras.

Partes de la unidad de bombeo

En el otro extremo de la viga desde el motor, hay una caja curvada de metal

llamada cabezal. Un cable de acero (o algunas veces de fibra de vidrio), conecta

el cabezal con la varilla pulida, que pasa a travs de una caja de sellado. El cable


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de acero sigue la curva del cabezal mientras baja y sube para crear un movimiento

casi totalmente vertical.

La barra pulida tiene un dimetro muy similar al agujero de la caja de sellado,

dejndola moverse dentro y fuera de la tubera sin que escape lquido (la tubera

es un cao que va hasta el fondo del pozo por donde se produce el fluido). La

varilla pulida est conectada con una larga sarta de barras de acero, que llega

hasta el final de la tubera donde est la bomba en el fondo del pozo.

En el fondo de la perforacin est la bomba de fondo. Esta bomba consiste en

dos vlvulas de bola: una vlvula inmvil y una vlvula en el pistn conectado al

final de las varillas que viaja hacia arriba y hacia abajo junto con la bomba,

conocida como la vlvula viajera. El lquido del yacimiento escurre a travs de la

formacin geolgica hacia el fondo de la perforacin que se ha hecho a travs de

la roca. La cual ha sido recubierta con una caera metlica con cemento entre

esta y la perforacin. Cuando las varillas estn viajando para arriba, la vlvula que

viajera se cierra y la vlvula fija se abre (debido a la baja presin en el cilindro de

la bomba). Por lo tanto, el cilindro de la bomba se llena del lquido de la formacin

mientras que el pistn que viaja levanta el contenido anterior del cilindro hacia

arriba.


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RELATO DE LA PRCTICA

La segunda practica del laboratorio de mecnica vectorial para ingenieros:

dinmica se realiz el da lunes 28 de septiembre del 2015 en el lab oratorio

Multilab T-207. La seccin 02 del laboratorio de dinmica fue supervisada por elingeniero Jorge Rodas. La prctica designada para el segundo laboratorio

programado del curso consisti en ensamblar un modelo a escala de una bomba

de varillas utilizando las piezas del Fishertecnik brindadas por el laboratorio. Dado

al gran nmero de alumnos y los kits limitados de Fishertecnik disponibles en el

laboratorio la seccin tuvo la necesidad de dividirse en grupos para poder realizar

la prctica.

El grupo nmero dos de la segunda seccin de laboratorio est conformado por:Andrs Asturias, Javier Galindo y Miguel Delgado. Para poder progresar con

mayor eficiencia el grupo dos se dividi las tareas de la siguiente manera: Miguel

se dedic a buscar las piezas indicadas por el manual de Fishertecnik, mientras

que Javier se dedic a ensamblar distintas partes de la bomba de varillas, al

mismo tiempo que Andrs tomaba los datos indicados por el ingeniero y apoyaba

a Javier con la instalacin.

Al iniciar la prctica Miguel comenz con la ardua tarea de localizar las piezasindicadas por el manual de Fishertecnik para poder iniciar con el ensamblado de la

bomba de varillas. Al momento de localizar las piezas necesarias para poder

armar el paso uno del manual, Javier inicio con sus labores. Mientras tanto Andrs

se encontraba leyendo el documento subido al portal del laboratorio de dinmica

que indicaba lo que el ingeniero Rodas nos solicitaba de la prctica.

Javier finalizo con el ensamblado de la parte uno del manual que consistan en la

base de la bomba de varillas. Mientras tanto Miguel contino en la localizacin de

las piezas necesaria para los siguientes pasos indicados por el manual. Al

momento de iniciar con el ensamblaje del tercer paso del manual, que consista en

la las uniones entre la base y las columnas de la bomba de varillas, mientras tanto

Miguel avanzo con la unin de las columnas que sostendran la parte superior de


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la bomba de varillas, al finalizar se dedic a ensamblar el contrapeso de la misma.

De esa manera el grupo poda avanzar con mayor velocidad en la construccin de

la maquina designada.

Al momento de iniciar con la parte siete indicada por el manual de FishertecnikJavier y Andrs tuvieran algunas complicaciones con ensamblaje del sistema de

engranajes debido a la direccin y la identificacin de las piezas a utilizar en dicho

paso. Lo que lo obligo a desinstalar y reinstalar dicho paso para poder solucionar

el problema. Al mismo tiempo Miguel finalizaba con la localizacin de las piezas

indicadas por el manual por lo que empezaron a apoyar a Javier con el armado de

la bomba de varillas.

Mientras que Andrs se dedicaba a tomar datos, Javier y Miguel avanzaron conlos pasos ocho, nueve, diez, once, doce, trece y catorce del manual de

Fishertecnik que consistan en la parte superior de la bomba de varillas incluyendo

su unin con la columna y el sistema de engranajes como sus respectivos contra

pesos para poder generar un movimiento de mayor eficiencia.

Despus Andrs se encarg de ensamblar la manivela al sistema de engranajes, y

verificar que las partes de la base de la bomba de varillas estuvieran instaladas de

manera correcta segn el manual de Fishertecnik. Adems realizo la distribucindel trabajo escrito y tomo las medidas de las piezas necesarias para el movimiento

de la mquina. Miguel y Javier paralelamente finalizo el ensamblaje de la parte

superior y uni con la columna de la mquina.

Finalizando el ensamblaje de la bomba de varillas los integrantes del grupo

nmero dos de la segunda seccin del laboratorio de mecnica vectorial para

ingenieros, inicio con las pruebas manuales de la mquina. Al supervisar que todo

se encontraba funcionando en perfecto estado decidieron iniciar con la

automatizacin de la bomba de varillas. Lamentablemente se toparon con el

contratiempo que la maquina se trababa antes de completar una revolucin lo que

llevo a la preocupacin de los futuros ingenieros debido a que si eso ocurra

cuando la maquina estuviera automatizada poda generar un momento torso que


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llevara al fallo de alguna de las piezas de la bomba de varillas, lo cual en un caso

real generara perdidas a la empresa por lo que se vieron obligados a buscar el

origen del problema y solucionarlo. Despus de comparar la instalacin con la

indicada por el manual y la realizada por otro grupo los miembros del grupo dos

lograron solucionar el problema por lo que iniciaron con la automatizacin de la

mquina de manera inmediata.

Para apresurar la instalacin del motor todos los miembros del grupo participaron

en esta actividad. Luego de unos cuantos minutos los futuros ingenieros

finalizaron la automatizacin de la bomba de varillas, despus de revisar que

todas la piezas estuvieran en orden dieron inicio a las actividades de la mquina.

Despus de tomar las medidas necesarias y observar su trabajo por un tiempo los

estudiantes iniciaron con el desinstalacin de la mquina. Despus de colocar

todas las piezas utilizadas en su respectivo lugar dieron por finalizada la practica

nmero dos del laboratorio de dinmica.


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Inicio

Realizar inventario de las piezas a

utilizar.

Armar la base de la bomba de varillas.

Armar la columna y parte superior de labomba de varillas.

Instalar el sistema de engranajes.

Revisar el funcionamiento de lamaquina.

Instalar el motor a la bomba y revisarque las piezas tuvieran movilidad

adecuada.

Fin de la

prctica

Iniciar las operaciones de la bomba devarillas.

Desarmar la bomba y guardar laspiezas en su lugar.


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MEDICIONES Y CLCULOS

1. Mida cuidadosamente las partes importantes y considere que la mquinareal es 30 veces el tamao de su modelo y est hecha de acero con =

7.85kg/dm3. Observe que es 7.85kg/dm3, no 7.85kg/m3!

2. Encontrar el momento de inercia de la masa del pndulo. Recuerdetrasladar el momento de inercia al eje donde se apoya el pndulo que nocoincide con su centro de masa.

Utilizando el comando de propiedades de masa de autocad se obtienen lossiguientes datos para el pndulo:

Moments of inertia: X: 7681.1529 Y: 208965.4430Product of inertia: XY: 40009.4913

Adems, el volumen del pndulo, utilizando el mismo procedimiento en elprograma es en (cm3):

Volume: 20.1275


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De acuerdo a la densidad del acero, o peso especfico, 7.85kg/dm3, se obtiene lamasa del pndulo:

Si la masa real es 30 veces la del modelo, entonces:

Luego por el teorema de Steiner se tiene que la masa por la distancia centroidal alcuadrado es:

3. Debe calcular el centro de masa de las partes mviles, suponiendo que losde las ruedas estn en sus ejes geomtricos y los otros debe determinarloscomo aprendi en esttica.

Los centros de masa respectivos calculados para las partes mviles se encuentransealados en la figura.


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4. Accione su modelo y mire como se mueve, es importante fijarse bien en elmovimiento para describir su funcionamiento despus.

El movimiento dado por una bomba de varias se puede describir como oscilacinarmnica, donde su movimiento se puede representar por una ecuacin:

Donde w=2/T, donde T es el tiempo en el que se completa un ciclo, t es el tiempo

medido en segundos e Y la distancia vertical en que se mueve el pistn.

5.Investigue acerca de stas bombas y averige que velocidad es razonable

para el pistn accionado por el contrapeso.

Segn especificaciones de fabricantes de este tipo de gras, la velocidad delpistn debe estar entre 0.7 y 0.85 m/s.

6. Con la velocidad y la transmisin de engranes incluida en el modelo,calcule la velocidad angular a la que debera operar el motor para accionar labomba. Calcule la potencia considerando que P = T*, siendo T el par

aplicado al eje y la velocidad angular.

Si la velocidad tangencial en el extremo del artefacto dada por los fabricantesdebe estar entre 0.7 y 0.85 m/s, entonces, se puede calcular la velocidad angularcomo:


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Si se emplea un perfil comercial de acero IPN 80 de rea transversal 7.58 cm 2, setienen los siguientes volmenes y masas:

El siguiente diagrama de cuerpo libre muestra los momentos en el brazo y elcabezal de la bomba petrolera:

Si la petrolera alcanza su velocidad angular especificada en 5 segundos, se tiene la

siguiente aceleracin angular


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Considerando que las masas de los cuerpos en movimiento estn concentradasen sus centros de masa y para el momento puntual que se muestra en la figura, setiene que:

Calculando la potencia:


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DISCUSIN DE RESULTADOS

El da 28 de septiembre del 2015 se llev a cabo la prctica nmero 3 del

laboratorio por parte del rea de prctica de dinmica. Dicha prctica tena como

objetivos determinar por medio de la velocidad y la transmisin de engranesincluida en el modelo de la prctica, la velocidad angular a la que debera operar el

motor para accionar la bomba; calcular el momento de inercia de la masa del

pndulo y usar la velocidad angular y la aceleracin angular que se determinaron

para las maquinas; determinar el centro de masa de las partes mviles,

suponiendo que los de las ruedas estn en sus ejes geomtricos y los otros deben

determinarse como se aprendi previamente en esttica.

El primer paso que se llev a cabo fue la determinacin por medio del clculo delcentro de masa en el contrapeso donde se encontraban las ruedas de la bomba.

Cabe destacar que estos contrapesos sirven para generar un torque y esto ayuda

a que la bomba realice su trabajo de manera constante y siempre ejerciendo la

misma fuerza de succin. A su vez la funcin del contrapeso es incrementar el

momento de inercia.

Se determin que los centros de masa de las partes mviles estaran a 4.22, 13.72

y 19 cm. Se calcularon las inercias (puntuales) de cada parte respectivamente, yse encontr la aceleracin angular del sistema, conociendo previamente su

velocidad angular. As fue como se determin el torque para cada parte, y se les

sum algebraicamente.

Cabe destacar que estos resultados finales representan el tamao promedio real

de una bomba petrolera. Para determinar el momento de inercia tanto del contra

peso como del pndulo fue necesario conocer la masa de cada una de las partes

involucradas, por lo tanto se tuvieron que determinar. Sin embargo, las inerciasdeben ser calculadas de acuerdo al movimiento que describen las partes mviles.

La potencia calculada result ser de bajo estas condiciones iniciales y parmetrosconsiderados de 3.6 kW.


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CONCLUSIONES

- La velocidad angular a la que debe operar el motor para accionar la bombaes de 0.13 rad/s, y la potencia que debe generar el motor es de 3.6kilowatts.

- El pndulo contrapesado del sistema ayuda generar una mayor potenciaangular cuando se debe levantar el cabezal de la bomba.

- Las inercias deben ser calculadas de acuerdo al movimiento que describen,el cual vara el radio de torque instantneamente.

- Las bombas de petrleo proporcionan la alta eficiencia volumtrica, lo cualnos indica que es una bomba til para grandes volmenes de fluidosviscosos, en este caso el petrleo.

- La bomba de petrleo funciona por medio del principio de un movimientoangular, por lo cual se calcul el momento de inercia, el cual es una medida

de inercia rotacional de un cuerpo cuando un cuerpo gira en torno a un eje.El momento de inercia calculado para el pndulo fue de 5.94 * 105 kgm2.

RECOMENDACIONES

Realizar un estudio previo, donde el estudiante investigue lo necesario paraentender el funcionamiento y los componentes de una bomba y sumovimiento antes de iniciar la prctica.

Crear una base de datos donde se lleve un control de las medidas de

longitud, ancho y espesor de cada una de las piezas. de esa forma sepuede realizar las mediciones de volumen y peso ms exactas, ya que en laprctica no disponemos del tiempo necesario para poder realizar lasmediciones necesarias con exactitud.

Utilizar videos de introduccin en el laboratorio para que los estudiantespuedan observar el funcionamiento de la mquina a realizar antes de iniciarla prctica, dndole as, al futuro ingeniero, un mejor panorama delcomportamiento de la mquina real a la hora de armar el modelo con elFischertecnik.

Utilizar un software de simulacin para calcular las propiedades fsicassolicitadas en el informe.


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LECCIONES APRENDIDAS

El pndulo contrapesado de una bomba petrolera ayuda a aumentar elmomento angular de la bomba cuando se levanta el cabezal de la misma.

La bomba de petrleo armada es la parte superficial de una bomba

impelente de pistn, instalada en unaperforacin petrolera. Es utilizadapara levantar mecnicamente el lquido del pozo cuando no hay suficientepresin en el yacimiento para que el lquido fluya hasta la superficie por sisolo como lo hace en los pozos surgentes.

La bomba de petrleo funciona por medio del principio de un movimientoangular, por lo cual se calcul el momento de inercia, el cual es una medidade inercia rotacional de un cuerpo cuando un cuerpo gira en torno a un eje.

Las inercias deben ser calculadas de acuerdo al movimiento que describen,el cual vara el radio de torque instantneamente, por lo que es

recomendable el uso de software de simulacin. Las bombas de petrleo proporcionan la alta eficiencia volumtrica, lo cual

nos indica que es una bomba til para grandes volmenes de fluidosviscosos, en este caso el petrleo.

BIBLIOGRAFA

Beer, F., Johnston, E. y Cornwell, F. (2010). Mecnica vectorial para ingenieros.

Dinmica. Mxico: McGraw Hill.

Varona, J. (1969). Matemticas y sus aplicaciones agrcolas. Espaa: Salvat.

Walton, H. (1968). The how and why of mechanical movements. Estados Unidos:Times.
https://es.wikipedia.org/wiki/Perforaci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Perforaci%C3%B3n


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ANEXOS

I. IMGENES

Bomba petrolera armada en funcionamiento.


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Pasos seguidos para armar el modelo.

Práctica No. 3, Dinámica

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