caracterización del sistema de bombeo mediante burbujas

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Caracterización del Sistema de Bombeo Mediante Burbujas Ascendentes

Juan Sebastián Urrego Gaona

Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Asesor

Ing. Álvaro Pinilla Sepúlveda, M.Sc, Ph.D

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

Bogotá D.C. Colombia

2013

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Agradecimientos

Agradezco principalmente a mi madre (María Yolanda) y a mi padre (Pedro

Manuel) por darme la vida, educar me con principios morales y por ser guías de

vida

A mis hermanos (Cesar Augusto, Magda Carolina y Pedro Daniel) por el apoyo

frecuente en las dificultades y los logros

Álvaro Pinilla gracias por darme la oportunidad de realizar este proyecto en el

área de interés y por sus sugerencias pertinentes

A todas aquellas personas que me ofrecieron sus consejos y recomendaciones

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Tabla de contenido

Nomenclatura...................................................................................................................................... 4

Lista de Graficas .................................................................................................................................. 5

Lista de Ilustraciones, Imágenes y Tablas ........................................................................................... 6

Introducción ........................................................................................................................................ 7

Objetivo General ................................................................................................................................. 8

Objetivos específicos ....................................................................................................................... 8

Fundamentos Teóricos ........................................................................................................................ 9

El principio de conservación de momento ...................................................................................... 9

Fracción de vacío en la tubería de bombeo .............................................................................. 10

Definición de Eficiencia ................................................................................................................. 11

Eficiencia del sistema despreciando el efecto de la fricción ......................................................... 11

Régimen del Patrón de Flujo ......................................................................................................... 12

Resultados Experimentales Previos .............................................................................................. 15

Variables que se involucran en el desempeño del sistema .......................................................... 16

METODOLOGIA.................................................................................................................................. 17

Componentes del sistema de bombeo ......................................................................................... 17

Componentes del Sistema de Inyección ................................................................................... 17

Componentes del Sistema de Inyección ................................................................................... 17

Instrumentos de Medida ........................................................................................................... 17

Procedimiento Experimental..................................................................................................... 18

Configuración de Descarga ........................................................................................................ 20

Configuración de Inyección ....................................................................................................... 20

Configuración de Medición ....................................................................................................... 21

RESULTADOS Y DISCUSIONES ............................................................................................................ 22

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................................... 32

Referencias ........................................................................................................................................ 34

Anexos ............................................................................................................................................... 35

Análisis de Costos .......................................................................................................................... 39

4

Nomenclatura : Gradiente de presión total

: Presión de inyección

: Densidad de la fase liquida

: Constante gravitacional

: Distancia entre la base de la tubería y el nivel del reservorio

ε es la fracción de la fase gaseosa que ocupada en la sección transversal de la tubería

F es la pérdida irreversible por unidad de longitud en la tubería

X es la altura respecto a la base de la tubería de bombeo.

: Distancia entre la base de la tubería y punto de descarga

: Presión de descarga o presión atmosférica

: Velocidad en el punto de descarga de la fase gaseosa

: Velocidad en el punto de descarga de la fase liquida

Velocidad promedio en la sección transversal de la fase gaseosa

Velocidad promedio en la sección transversal de la fase liquida

: Velocidad de deslizamiento

: Constante de la cantidad de burbujas en el flujo igual a 1.2

: Diámetro de la tubería

: Coeficiente de fricción

: Pérdidas de presión debido a la fricción por unidad de longitud de la tubería

A área de la sección transversal de la tubería de bombeo Densidad del aire a presión atmosférica.

: Eficiencia del sistema de bombeo : La potencia consumida por compresión isotérmica del aire

: Cabeza de bombeo

: Potencia desarrollada por la bomba

: Relación de sumersión

: Caudal de la fase gaseosa

: Caudal de la fase liquida

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Lista de Graficas Gráfica 1 Curvas del flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico de aire inyectado

para el modelo 1 ............................................................................................................................... 22

Gráfica 2 Régimen de transición del sistema de bombeo para el modelo 1 .................................... 23

Gráfica 3 Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 1 .............................................................. 23

Gráfica 4 Eficiencia del modelo 1 con la configuración 1 del sistema de descarga para una cabeza

de 1.7 m con porcentaje de sumersión del 50% ............................................................................... 24

Gráfica 5 Eficiencia del modelo 1 con la configuración 2 del sistema de descarga para una cabeza

de 1.7 m con porcentaje de sumersión del 50% ............................................................................... 24

Gráfica 6 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 2 .................................. 26



Gráfica 9 Régimen de transición del sistema de bombeo para el modelo 4 para diferentes cabezas

de bombeo y su respectivo nivel de sumersión con respecto a la tubería de bombeo ................... 28

Gráfica 10 Flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico del aire inyectado para el

modelo 4 ........................................................................................................................................... 29

Gráfica 11 Presión de inyección en resultante del sistema de bombeo, Modelo 4 ......................... 30




modelo 2 ........................................................................................................................................... 35


Gráfica 15 Curvas de eficiencia para cada una de las cabezas de bombeo analizado, modelo 2 ..... 36




modelo 3 ........................................................................................................................................... 36






modelo 4 ........................................................................................................................................... 38



6

Lista de Ilustraciones, Imágenes y Tablas Ilustración 1 Sistema de bombeo mediante burbujas ascendentes ................................................... 9

Ilustración 2 Curva del Sistema de Bombeo Mediante Burbujas Ascendentes, Flujo de la fase

liquida desplazada en función del flujo de la fase gaseosa inyectado .............................................. 12

Ilustración 3 Régimen del patrón del flujo para la operación del sistema de bombeo, tomado de la

referencia (Samaras & Margaris, 2005) ............................................................................................ 14

Ilustración 4 Patrones de flujo del sistema de bombeo mediante burbujas ascendentes, tomado de

la referencia (Bohnen, 2004) ............................................................................................................. 15

Ilustración 5 Representación de la Instalación del sistema de bombeo ........................................... 19

Ilustración 6 Configuración del control de caudal y presión ............................................................. 21

Ilustración 7 Configuración del control de caudal ............................................................................ 21

Imagen 1 Registro fotográfico de los patrones de flujo (a) Flujo burbujeante, (b) transición del flujo

burbujeante a flujo slug (c y d) flujo slug (e y f) flujo de transición del flujo slug a flujo turbulento o

de remolinos (g y h) flujo anular, tomado de la referencia (Sadek Z. Kassab, 2008) ....................... 14

Imagen 2 Registro fotográfico, Rotámetro Gilmont (escala 0.55 L/min – 35.75 L/min) ................... 17

Imagen 3 Marca Winka (escala 0 – 100 psi) ...................................................................................... 17

Imagen 4 Cronometró Casio Hs-3 ..................................................................................................... 18

Imagen 5 Probeta o Reservorio de Descarga (escala de 0 - 100 mL) ................................................ 18

Imagen 6 Registro Fotográfico Configuración 1 ................................................................................ 20

Imagen 7 Registro Fotográfico Configuración 2 ................................................................................ 20

Imagen 8 Registro Fotográfico Configuración del sistema de Inyección .......................................... 20

Imagen 9 Registro Fotográfico de la configuración del sistema de inyección .................................. 21

Imagen 10 Registro fotográfico del compresor tomado de la referencia (sfm Flow Air, Water and

Energy, 2012) .................................................................................................................................... 39

Tabla 1 Resultados del desempeño del sistema de bombeo previo al proyecto, tomado de la

referencia (Nicklin, 1963) .................................................................................................................. 15

Tabla 2 Resultados Experimentales Previos de Ward y Kessier ........................................................ 18

Tabla 3 Especificaciones geométricas del sistema y modelos experimentales ................................ 18

Tabla 4 Descripción del sistema de descarga .................................................................................... 20

Tabla 5 Configuración de la instalación del sistema de medición .................................................... 21

Tabla 6 Cabeza de bombeo o ascensión y relación de sumersión respecto a la tubería de bombeo

........................................................................................................................................................... 25

Tabla 7 Condiciones de operación con respecto a modelos experimentales realizados anteriores a

este proyecto .................................................................................................................................... 30

Tabla 8 Análisis de costos del sistema de bombeo ........................................................................... 39

Tabla 9 Análisis de costos del sistema de inyección de aire ............................................................. 39

Tabla 10 Características técnicas del compresor SFM 11,33 K17 tomado de la referencia (sfm Flow

Air, Water and Energy, 2012) ............................................................................................................ 39

7

Introducción

Este proyecto presenta una alternativa de bombeo (sistema de bombeo mediante burbujas

ascendentes – air lift pump) enfocada en aplicaciones industriales principalmente en el sector

agrícola (sistemas de riego y exploración de agua subterránea). Debido a que Colombia tiene un

gran potencial en el sector agrario y un ambiente adecuado para diversos cultivos que componen

la canasta familiar, dado que los productos del campo son vitales para el desarrollo integral del ser

humano.

El sistema de bombeo mediante burbujas ascendentes opera mediante la mezcla de 2 fases (fase

liquida y gaseosa) o 3 fases (suspensiones: fase liquida, sólida y gaseosa); su principal

funcionamiento es el transporte líquidos, soluciones o suspensiones, a través de la tubería de

ascensión o de bombeo que está parcialmente sumergida en la fase liquida. El sistema de bombeo

consiste de un compresor de aire, un sistema de inyección y un sistema hidráulico. El compresor

inyecta aire al sistema mediante el proceso de compresión isotérmico; donde la temperatura es

constante y las pérdidas de calor son mínimas. A medida que se añade la fase gaseosa a la fase

liquida que se desea bombear, la mezcla generada tiene menor densidad con respecto al líquido

circundante o del entorno al sistema. La acción de bombeo del sistema se genera a partir de la

fuerza de flotación que es desarrolla debido a la mezcla formada y a sus propiedades físicas de la

mezcla.

Los inicios de este sistema de bombeo se desarrolló alrededor de 1882, pero el sistema se colocó

en práctica a principios del siglo XX; Las aplicaciones que actualmente se registran para este tipo

de sistema de bombeo son las siguientes: exploración de aguas subterráneas, extracción de lodos

en plantas de tratamientos de aguas residuales, aplicaciones en la agricultura (agropecuaria),

aplicaciones específicas donde el ambiente es altamente corrosivo o en aplicaciones donde el

terreno es irregular. La principal ventaja del uso de este sistema radica en la simplicidad de los

componentes mecánicos, donde no se generan problemas dinámicos en la operación de bombeo

(golpe de ariete o cavitación) o problemas debido a oxidación de los componentes mecánicos.

Cabe destacar que la construcción y operación del sistema bombeo de este proyecto no tiene una

teoría estricta para el proceso de análisis, por lo tanto al el análisis del sistema ha sido neta mente

experimental y las relaciones obtenidas son totalmente empíricas, basado en las teorías de la

mecánica de los fluidos. Este proyecto se realiza con el fin de caracterizar y evaluar el sistema de

bombeo con el propósito de desarrollar un avance y ampliar su nicho de aplicación, así lograr

mejorar el desempeño del sistema. Además concluir respecto a su viabilidad técnica. En este

estudio se evaluara la operación y rendimiento del sistema mediante burbujas ascendentes

basado en investigaciones realizadas en los Estados Unidos (D. J. Reinemann, 1989), Japón (Hitoshi

Fujimoto, 2004) , Egipto (Sadek Z. Kassab, 2008).

8

Objetivo General

Desarrollo del sistema de bombeo mediante burbujas ascendentes (Air Lift Pump), donde se

requiere evaluar y caracterizar el sistema, bajo diferentes condiciones de operación y

establecer las variables que afectan el desempeño del sistema.

Objetivos específicos

Seleccionar componentes mecánicos disponibles comercialmente

Instalar el montaje para ejecutar pruebas del desempeño del sistema de bombeo.

Estudiar el comportamiento del sistema para diferentes condiciones de

operación y modificar parámetros de configuración del circuito hidráulico.

9

Fundamentos Teóricos

Las ecuaciones que se presentan son desarrolladas a partir del principio de conservación de

momento. Considerando un volumen de control para diferentes segmentos a lo largo de la

longitud de la tubería logrando así predecir la cabeza de bombeo, donde el ascenso del fluido

es proporcional a las variables que afectan el desempeño del sistema como son parámetros

geométricos del sistema (diámetro de la tubería de bombeo, longitud de la tubería de bombeo,

sistema de descarga y de inyección); y de operación (sumersión de la longitud de bombeo,

caudal de aire inyectado y presión de inyección).

El principio de conservación de momento

El principio de conservación de momento esta descrito por las siguientes componentes

debido a los factores de fricción , efectos de la aceleración y el peso

del fluido en la tubería (incluye los efectos de deslizamiento), este último término es la

componente hidrostática por medio de la analogía de una sola fase. Donde, el peso

de la fase gaseosa es despreciable. El principio de la conservación de momento esta descrito

por la ecuación Ec. 1

Ec. 1

Considerando una tubería vertical, parcialmente sumergida en un reservorio de agua, y la

base de la tubería o punto de inyección como la referencia de altura cero Xo, como se presenta

en la Ilustración 1. Si la tubería es sumergida a una profundidad con referencia x1 (distancia

entre el punto de inyección y el nivel del pozo) debajo del nivel del fluido dentro del

reservorio.

Ilustración 1 Sistema de bombeo mediante burbujas ascendentes

10

Es necesario tener en cuenta las pérdidas, lo cual ha sido enfatizado por Dabolt and Plummer

(1980) y Husain and Spedding (1976). El punto de descarga del sistema o la cabeza de la

bomba tomando como la referencia x2 (distancia entre el punto de inyección y el punto de

descarga) a una presión (presión atmosférica), ver Ilustración 1 Sistema de bombeo

mediante burbujas ascendentes.

El efecto de la aceleración debido a la expansión del gas sobre la altura de bomba es una

pequeña fracción menor al 1%, sobre el total de la gradiente de presión del sistema de

bombeo y es despreciada para el análisis. Además, la mínima contribución dada por fase del

aire en la tubería puede ser despreciada, de tal manera que el principio de conservación de

momento se analiza a partir del análisis desarrollado en la referencia (Clark & Dabolt, 1986),

donde solamente se relaciona la componente hidrostática y la componente de la fricción del

sistema de bombeo.

El efecto de la fricción o las pérdidas debido a la fricción en el sistema de bombeo representa

entre el 2 al 10% de la cabeza total generada, así que el uso de la expresión de las pérdidas es

justamente para simplificar la forma de las ecuaciones de diseño del sistema. Nicklin (1962)

argumenta basado en la teoría de continuidad que la velocidad de la fase líquido en la tubería

de bombeo es igual a la velocidad de la mezcla en el punto de descarga, en donde,

la fase liquida en contacto con la fase gaseosa es aproximadamente igual a la siguiente

relación de , los estudios de Nicklin sugiere que la perdidas por fricción por unidad de

longitud que se presenta a lo largo de la tubería de bombeo está influenciado por la fase

liquida tomado de la referencia (Nicklin, 1963).

Fracción de vacío en la tubería de bombeo

La fracción de vacío o fracción de la fase gaseosa en la tubería de bombeo, ε, es función de la

relaciones de caudales de cada una de las fases , dado por flujo de las fase gaseosa y

liquida en la tubería bombeo. Las burbujas de aire ascienden con relación al líquido, así que el

flujo líquido genera una película alrededor de la burbuja de aire. Ocupando la región central

de la tubería, las burbujas viajan en sentido del flujo, el cual se mueve rápidamente con

respecto a la velocidad promedio de la mezcla en sección transversal de la tubería de

ascensión. Ambos factores mencionados contribuyen en la relación de deslizamiento o la

relación de la velocidad promedio entre las fase. La mayoría de estos tipos de bombeo operan

a bajo caudal de la fase liquida, con relación de deslizamiento entre 1.5 a 2.5 (Stenning and

Martin, 1968). En la práctica, la fracción de aire se puede calcular mediante al modelo

derivado del flujo desarrollado por Nicklin (1962) y por Zuber and Findlay (1965).

11

Definición de Eficiencia

Teóricamente la eficiencia del sistema está definida como la relación entre la potencia

requerida para elevar o bombear suspensiones (mezcla de 3 fases) o fluidos (mezcla de 2

fases) hacia el punto de descarga con respecto a la potencia requerida para comprimir el aire

isotérmicamente, desde la presión atmosférica a la presión de inyección. La potencia

consumida debido a la compresión isotérmica del aire está definida por la ecuación Ec. 2

Ec. 2

Por otro lado, la potencia adquirida se define como el incremento de la energía potencial de la

fase liquida o solida dependiendo en la ganancia de la bomba. Considerando los dos casos y

tomando en cuenta el principio de Arquímedes para el caso de ascender o desplazar sólidos, la

potencia adquirida es dada por la ecuación Ec. 3, tomado de la referencia (Gamal, Mahrous, &

El-Kom, 2012):

Ec. 3

La eficiencia del sistema de bombeo es calculada a partir de la relación ente la ecuación Ec. 2 y

Ec. 3 se obtiene la ecuación Ec. 4.

Ec. 4

Eficiencia del sistema despreciando el efecto de la fricción

Si las pérdidas por deslizamiento solamente es considerada, la caída de presión es definido

por el peso de la fase liquida en la tubería de bombeo y por lo tanto igual a la fracción de

líquido en el sistema de bombeo, que se expresa mediante la expresión . En este caso el

punto de eficiencia está dado por la ecuación Ec. 5:

Ec. 5

A partir de la teoría del flujo slug desarrollada por Nicklin, se desarrolla la siguiente ecuación

despejando la variable de la fracción de vacío se tiene la siguiente ecuación Ec. 6 tomado de

la referencia (Nicklin, 1963)

Ec. 6

12

Donde la expresión teóricamente está definida como la velocidad de ascenso de

las burbujas en la fase liquida. El factor 1.2 es debido al perfil de velocidad de la fase líquida y

la fase gaseosa. Sustituyendo en la ecuación Ec. 6 en la ecuación Ec. 5, se obtiene la ecuación

Ec. 7 de eficiencia despreciado las perdidas debido a la fricción:

Ec. 7

El total de la perdida de energía es debido al deslizamiento entre la fase liquida y la fase

gaseosa, con respecto a la perdidas debido a la fricción son mínimas para condiciones de

operación de bajo caudal de aire inyectado, las burbujas tiene una velocidad de deslizamiento

infinita según el criterio desarrollado por Nicklin (1963).

A continuación se presenta la curva teórica del sistema de bombeo mediante burbujas

ascendentes en la Ilustración 2 Curva del Sistema de Bombeo Mediante Burbujas Ascendentes,

Flujo de la fase liquida desplazada en función del flujo de la fase gaseosa inyectado. El flujo de la

fase líquido asciende con el incremento del flujo de la fase gaseosa, hasta el punto de máxima

eficiencia y el punto de máximo caudal de la fase liquida bombeado hasta el punto de

descarga.

Ilustración 2 Curva del Sistema de Bombeo Mediante Burbujas Ascendentes, Flujo de la fase liquida desplazada en

función del flujo de la fase gaseosa inyectado

Régimen del Patrón de Flujo

“El mapa del flujo transición del sistema de bombeo fue desarrollado por la industria

petroquímica para flujos de la mezcla entre el aceite (fase liquida) y gas (fase gaseosa) a lo

largo de una tubería bombeo, con el fin de identificar las características y el comportamiento

dentro del sistema de bombeo” (Samaras & Margaris, 2005). Consecuentemente, el patrón del

flujo adiabático fue desarrollado como un flujo general para la operación del sistema. En los

últimos años, los patrones de flujo se desarrollan en condiciones específicas como el diámetro

13

de la tubería, compresión o expansión e intercambio de calor. Hewitt - Roberts (1969)

designaron 5 patrones básicos en el flujo ascendente definidos como: flujo burbujeante, slug o

plug, anular y anular tenue (Samaras & Margaris, 2005). Los cuales se definen así:

Flujo Burbujeante: flujo de la fase líquida continúa; donde la fase gaseosa (pequeñas

burbujas) se distribuye uniformemente en la fase liquida generando así una mezcla

homogénea.

Flujo Slug o Plug: gran flujo de aire, ocurre colisión entre las burbujas y eventualmente

el diámetro de las burbujas alcanzan el diámetro de la tubería. Las burbujas se

caracterizan por tener forma de bala o de hongo. El flujo slug es el régimen patrón del

sistema y el influyente en el desempeño del sistema de bombeo. La fase gaseosa que

está contenida en burbujas y abarcan gran parte del volumen en el interno de la

tubería denominada burbujas de Taylor. Análisis tomado de la referencia (Nicklin,

1963)

Flujo turbulento o remolinos: incremento de la velocidad del flujo de la mezcla, se

descompone del flujo slug que desestabiliza el régimen del flujo generando un

movimiento oscilatorio.

Flujo anular: el flujo de la fase líquido está sobre la pared formando una película, y la

fase del flujo de gas se encuentra en el centro de la tubería del sistema.

Flujo Anular tenue: el caudal líquido aumenta, la concentración de gotas en el centro

del flujo del gas incrementan. Este régimen de flujo se caracteriza por su alto flujo

másico del sistema.

En la Ilustración 3 Régimen del patrón del flujo para la operación del sistema de bombeo, se

presenta el régimen del patrón del flujo obtenido de la referencia (V.C. Samaras, 2005), donde

se presentan modelos experimentales del sistema de bombeo mediante burbujas ascendentes

como el de Yoshinaga – Sato (1996), Chi Ho Yoon (2000) y Khalil (1999). Las curvas que se

presentan es respecto al análisis de la velocidad de la fase liquida en función de la fase gaseosa

para diferentes condiciones de operación.

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Ilustración 3 Régimen del patrón del flujo para la operación del sistema de bombeo, tomado de la referencia (Samaras

& Margaris, 2005)

Con respecto a la Ilustración 3 Régimen del patrón del flujo para la operación del sistema de

bombeo, se analizan las líneas de transición y las regiones establecidas que se presenta en la

referencia (Samaras & Margaris, 2005). A continuación se presenta un registro fotográfico acerca

del análisis del régimen de flujo en la Imagen 1 Registro fotográfico de los patrones de flujo (a)

Flujo burbujeante, (b) transición del flujo burbujeante a flujo slug (c y d) flujo slug (e y f) flujo de

transición del flujo slug a flujo turbulento o de remolinos (g y h) flujo anular obtenida de la

referencia (Sadek Z. Kassab, 2008).

Imagen 1 Registro fotográfico de los patrones de flujo (a) Flujo burbujeante, (b) transición del flujo burbujeante a flujo slug (c y d) flujo slug (e y f) flujo de transición del flujo slug a flujo turbulento o de remolinos (g y h) flujo anular,

tomado de la referencia (Sadek Z. Kassab, 2008)

15

Ilustración 4 Patrones de flujo del sistema de bombeo mediante burbujas ascendentes, tomado de la referencia (Bohnen, 2004)

Para el flujo de la fase liquida y gaseosa, el valor de depende del movimiento relativo o

el deslizamiento del gas sobre el líquido. Si aumenta el deslizamiento en el sistema, aumenta

y aumenta la pérdida de energía. Higson muestra que el deslizamiento es el

responsable de predecir el total de energía perdida en el sistema de bombeo, bajo ciertas

circunstancias del flujo de 2 fases (particularmente para grandes longitudes de tubería) la

fricción de la parad puede ser importante, y puede considerarse en el análisis.

Resultados Experimentales Previos

En la Tabla 1 Resultados del desempeño del sistema de bombeo previo al proyecto, tomado de la

referencia (Nicklin, 1963), operando el sistema de bombeo con mezcla de 2 fases, donde se

presentan configuraciones como el diámetro de la tubería de ascensión, longitud de la tubería

de bombeo y la relación de sumersión. Además se presenta los resultados experimentales

obteniendo eficiencias entre el rango de 35% hasta el 64%.

Dimensiones de la tubería de ascensión Condiciones Óptimas Real Condiciones óptimas teóricas

Referencia X2(ft) D

(in) x2(m) D (m) A(m^2) η α

L/A (ft/s)

L/A (m/s)

QL (m^3/s)

QL (L/min)

η’ α’ L/A

(ft/s) L/A

(m/s) QL

(m^3/s) QL

(L/min)

Wilson 9.18 3 2.80 0.0762 0.00456 0.45 0.76 1.63 0.497 0.0023 135.94 0.5 0.84 3.15 0.960 0.0044 262.71

Ward and Kessler

37.85 3 11.54 0.0762 0.00456 0.49 0.8 2.6 0.792 0.0036 216.84 0.56 0.84 3.15 0.960 0.0044 262.71

60.88 3 18.56 0.0762 0.00456 0.58 0.8 3.3 1.006 0.0046 275.22 0.56 0.84 3.15 0.960 0.0044 262.71

61.26 3 18.67 0.0762 0.00456 0.58 0.8 3.2 0.975 0.0044 266.88 0.56 0.84 3.15 0.960 0.0044 262.71

81.63 3 24.88 0.0762 0.00456 0.6 0.8 3 0.914 0.0042 250.20 0.56 0.84 3.15 0.960 0.0044 262.71

100.64 3 30.68 0.0762 0.00456 0.64 0.75 3.2 0.975 0.0044 266.88 0.56 0.84 3.15 0.960 0.0044 262.71

60.88 2.5 18.56 0.0635 0.00317 0.54 0.7 2.3 0.701 0.0022 133.21 0.55 0.84 2.8 0.853 0.0027 162.17

Bauer and Pollard

20.5 2 6.25 0.0508 0.00203 0.66 0.83 1.5 0.457 0.0009 55.60 0.55 0.84 2.4 0.732 0.0015 88.96

20.5 1.5 6.25 0.0381 0.00114 0.7 0.78 1.5 0.457 0.0005 31.27 0.54 0.84 2 0.610 0.0007 41.70

Ward and Kessier

60.88 1.5 18.56 0.0381 0.00114 0.55 0.7 2.6 0.792 0.0009 54.21 0.54 0.84 2 0.610 0.0007 41.70

62.4 1 19.02 0.0254 0.00051 0.56 0.55 1.9 0.579 0.0003 17.61 0.53 0.83 1.6 0.488 0.0002 14.83

Gosline 26.56 1 8.10 0.0254 0.00051 0.37 0.57 3 0.914 0.0005 27.80 0.53 0.83 1.6 0.488 0.0002 14.83

Tabla 1 Resultados del desempeño del sistema de bombeo previo al proyecto, tomado de la referencia (Nicklin, 1963)

16

Respecto al resumen de modelos experimentales presentados, no se presenta información

acerca del sistema de inyección utilizado. Donde se resalta que el punto de mejor desempeño

solo se presenta respecto a la configuración mostrada.

Variables que se involucran en el desempeño del sistema

Sharma - Sachdeva (1976) estudiaron los factores que afectan el desempeño para grandes

diámetros del sistema de bombeo operando en reservorio poco profundo. La relación del

desempeño del sistema de bombeo está influenciada por el patrón de flujo del sistema que se

está desarrollando. DeCachard - Delhaye (1996) experimentalmente ha mostrado que el

patrón de flujo dominante operando para rangos de diámetros pequeños es un régimen de

flujo slug.

Khalil – Mansour (1990) llevaron a cabo trabajos experimentales estudiando el efecto que

induce la tensión superficial en el líquido bombeado. Comprobando que el uso de inducir la

tensión superficial en pequeñas concentraciones siempre incrementa la capacidad y eficiencia

de la bomba. Además, encuentran que el desempeño de la bomba está en función del caudal de

aire, la relación de la sumersión, la presión de inyección y la concentración de la tensión

superficial inducida.

Furukawa - Fukano (2001) estudiaron el efecto de la viscosidad con respecto a los patrones

de flujo. Hitoshi (2003) experimentalmente encuentra que el punto de inyección del aire tiene

gran efecto sobre la descarga del agua. Aunque, la geometría de la bomba es muy simple, el

estudio del desempeño de la bomba es complejo. Stapanoff (1929) usa teorías

termodinámicas para el estudio del efecto de la sumersión, el diámetro de la tubería, ambiente

y el sistema de inyección del aire sobre la superficie del agua con respecto a la eficiencia de la

bomba. Stapanoff encuentra que el sistema termodinámicamente tiene ventajas que definen

puntos de operación del sistema de bombeo.

17

METODOLOGIA

Componentes del sistema de bombeo

Componentes del Sistema de Inyección

1. Tubería de Inyección de poliuretano (Diámetro nominal: 1/4, 3/8 y 1/ 2 pulgadas con

longitud de 30 metros para cada uno de los diámetros).

2. Racores o uniones rápidas prestolok para manguera de poliuretano

3. Válvulas de control de flujo o válvula de bola

4. Sistema de compresión de aire o línea de aire suministrada por el laboratorio de fluido

Componentes del Sistema de Inyección

1. Tubería del sistema de bombeo de PVC (diámetro nominal: 1 pulgada con longitud de

25 metros)

2. Uniones nacho y hembra de PVC (Diámetro nominal: 1 pulgada)

3. Uniones universal PVC (Diámetro nominal: 1 pulgada)

4. Unión Tee PVC (diámetro nominal:1 in)

5. Soldadura de PVC

Instrumentos de Medida

1. Rotámetro (medición de caudal de aire inyectado)

Imagen 2 Registro fotográfico, Rotámetro Gilmont (escala 0.55 L/min – 35.75 L/min)

Cabe destacar que se realizó la calibración del instrumento, mediante otro rotámetro con la

siguiente escala (0 – 10 L/min). Donde se buscaba caracterizar la escala del rotámetro utilizado

y se logró obtener que cada espacio entre línea representa 0.55 L/min.

2. Manómetro y válvula de control (medición de la presión de inyección de aire)

Imagen 3 Marca Winka (escala 0 – 100 psi)

18

3. Cronometro (registró del tiempo empleado para llenar otro reservorio del fluido

bombeado)

Imagen 4 Cronometró Casio Hs-3

4. Probeta o reservorio de descarga de la fase liquida bombeada

Imagen 5 Probeta o Reservorio de Descarga (escala de 0 - 100 mL)

Procedimiento Experimental

Se desarrolló diferentes tipos de configuraciones o aproximaciones con base a la información

que se registra en la Tabla 1 Resultados del desempeño del sistema de bombeo previo al

proyecto, tratando de reconstruir las condiciones de operación presentada por Ward y Kessier

que se presenta en la Tabla 2 Resultados Experimentales Previos, (1 pulgada de diámetro

nominal con longitud de 62.4 pies de la tubería de bombeo).

Dimensiones de la tubería de ascensión Condiciones Óptimas Real

Referencia X2(ft) D (in) x2(m) D (m) A(m^2) η α L/A (ft/s) L/A (m/s) QL (m^3/s) QL (L/min)

Ward and Kessler

60.88 1.5 18.56 0.0381 0.00114 0.55 0.7 2.6 0.792 0.0009 54.21

62.4 1 19.02 0.0254 0.00051 0.56 0.55 1.9 0.579 0.0003 17.61 Tabla 2 Resultados Experimentales Previos de Ward y Kessier

A continuación se presenta Tabla 4 Descripción del sistema de descarga, registrando cada una

de las configuraciones de ensamble que se llevaron a cabo en el laboratorio ML 122A.

# modelo Diámetro nominal

tubería de bombeo (in) Longitud de la tubería

de bombeo(m) Diámetro nominal

manguera de inyección (in) 1 1 3.4 3/8 2 1 20.34 3/8 3 1 20.34 1/4 4 1 20.34 1/2

Tabla 3 Especificaciones geométricas del sistema y modelos experimentales

El primer paso fue desarrollar un modelo de pruebas en el laboratorio ML 122A, ver Tabla 3

Especificaciones geométricas del sistema y modelos experimentales, el cual tiene como finalidad

19

conocer la operación del sistema de bombeo, donde se buscaba entender y evaluar el

comportamiento del sistema. Además, calibrar la instrumentación de medición respecto a la

configuración del ciclo hidráulico utilizada, logrando identificar las variables que influyen en

el desempeño del sistema de bombeo. La configuración propuesta es seleccionada con

respecto a la características del compresor o la línea de aire que se tenga disponible (Máxima

presión registrada de 100 psi), configuración de inyección (variable fundamental para la

operación del sistema), longitud de la tubería de bombeo, nivel de sumersión de la tubería de

bombeo, diámetro de la tubería de bombeo y la configuración del sistema de descarga.

Variables medibles para lograr caracterizar el desempeño del sistema:

Caudal de aire de inyección

Presión de inyección de aire

Caudal de descarga de la fase liquida

Diámetro interno de la tubería de bombeo

Longitud total de la tubería de bombeo

Cabeza de bombeo del sistema

El flujo de la mezcla entre las dos fases permite el desarrollo del patrón de flujo a 0.8 metros

respecto al punto de inyección. Donde la cabeza estática en la tubería de ascensión se

configura con respecto a referencia el nivel del agua en el pozo, logrando determinar la cabeza

de ascensión y el nivel de sumersión del sistema de bombeo. En la Ilustración 5 Representación

de la Instalación del sistema de bombeo, se presenta la configuración de instalación que se

llevaron a cabo en el laboratorio ML 112, con los elementos que componen el sistema de

bombeo.

Ilustración 5 Representación de la Instalación del sistema de bombeo

20

Configuración de Descarga

Configuración 1 Descarga con reservorio Configuración 2 Descarga Directa

Imagen 6 Registro Fotográfico Configuración 1

Imagen 7 Registro Fotográfico Configuración 2

El punto de descarga se toma una Tee como se muestra en la Imagen 6 Registro Fotográfico Configuración 1, en la parte superior se dispone un reservorio para la salida de la fase gaseosa y la tubería de descarga al lado izquierdo, se dispone la salida de la fase liquida hacia el reservorio, donde se cronometra el volumen del fluido que es bombeado.

El punto de descarga se dispone de un codo como se muestra en la Imagen 7 Registro Fotográfico Configuración 2, donde la salida de la mezcla es directa hacia el reservorio donde se cronometra el volumen del fluido que es bombeado.

Tabla 4 Descripción del sistema de descarga

Configuración de Inyección

Imagen 8 Registro Fotográfico Configuración del

sistema de Inyección

La configuración de inyección se presenta en la Imagen 8 Registro Fotográfico Configuración del sistema de Inyección, que esta defina por la sencillez y la facilidad de instalación de los componentes que hace parte del sistema de inyección como lo son las uniones rápidas prestolok o acoples unión entre las secciones de la manguera de poliuretano y cinchos o amarres de Nylo.

21

Configuración de Medición

Configuración del Sistema de medición

Control de la presión y caudal Control del Caudal

Imagen 9 Registro Fotográfico de la configuración del sistema de inyección

Ilustración 6 Configuración del control de caudal y presión

Ilustración 7 Configuración del control de caudal

En la Ilustración 6 Configuración del control de caudal y presión presenta la configuración donde se procede a controlar la presión de inyección, manteniendo constante la presión de inyección para todo el rango de operación del caudal de aire inyectado que se dispuso de la línea de aire.

En la Ilustración 7 Configuración del control de caudal se presenta la configuración donde se procede a controlar el caudal de aire inyectado al sistema de bombeo y se procede a registra el valor de la presión que indicada en el manómetro.

Tabla 5 Configuración de la instalación del sistema de medición

22

RESULTADOS Y DISCUSIONES Con respecto al desarrollo del primer modelo presentado en la Tabla 3 Especificaciones geométricas del sistema y modelos experimentales, se logra observar el funcionamiento del sistema de bombeo. Se realizó la medición del caudal del fluido desplazado, donde se mantiene constante la sumersión de la tubería de bombeo y se procede a variar la presión de inyección para el rango de operación del caudal de aire inyectado disponible. Operando el sistema con cabeza de bombeo de 0.41m y su respectivo porcentaje de sumersión de 88% con respecto a la longitud total de la tubería de bombeo. En la Gráfica 1 Curvas del flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico de aire inyectado para el modelo 1 se presenta el comportamiento del sistema.

Gráfica 1 Curvas del flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico de aire inyectado para el modelo 1

En la Gráfica 1 Curvas del flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico de aire inyectado para el modelo 1, se logra observar la cantidad de flujo másico del agua bombeada en función del aire inyectado, a medida que aumenta el aire inyectado aumenta el flujo másico de agua desplazada (observar el rango entre 0.2 a 1.4 kg/h de aire inyectado) y luego el sistema tiende a ser constante, cabe destacar que el sistema tiene el mismo comportamiento que se presenta en la Ilustración 2 Curva del Sistema de Bombeo Mediante Burbujas Ascendentes, Flujo de la fase liquida desplazada en función del flujo de la fase gaseosa inyectado. A continuación se presenta el resultado obtenido con respecto a las características del régimen del flujo dentro de la tubería de bombeo para el modelo 1.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

ṁ a

gua

de

spal

zad

o (

Kg/

h)

ṁ aire inyectado (kg/h)

Flujo másico del aire inyectado Vs Flujo másico de agua desplazada Modelo 1. Cabeza de Bombeo 0.41 m

5 PSI

10 PSI

20 PSI

30 PSI

40 PSI

23

Gráfica 2 Régimen de transición del sistema de bombeo para el modelo 1

En la Gráfica 2 Régimen de transición del sistema de bombeo para el modelo 1, donde el régimen de flujo dominante para este tipo de configuración es el régimen slug como se comenta en la teoría presentada. Cabe destacar que a mayor presión requiere mayor caudal de aire para desplazar la misma cantidad de la fase liquida hacia el punto de descarga. Si se observa detenidamente el sistema presenta la siguiente característica principal a medida que aumenta la presión el flujo del sistema tiende al régimen remolinos donde las pérdidas del sistema aumentan considerablemente debido al efecto del deslizamiento y la fricción. A continuación se presentara los resultados de la eficiencia del sistema bombeo que se obtiene mediante la ecuación Ec. 4, donde se relaciona la potencia requerida de compresión isotérmica del aire a la presión de inyección respecto a la potencia que se desarrolla para desplazar el fluido hacia el punto de descarga.

Gráfica 3 Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 1

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

η(%

)

Q aire inyectado(L/min)

Eficiencia Experimental del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 3/8 pulgada, Para una Cabeza de Bombeo 0.41 m

5 PSI

10 PSI

20 PSI

30 PSI

40 PSI

24

En la Gráfica 3 Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 1, la máxima eficiencia obtenida es del 27% con caudal de aire inyectado de 11 L/min respecto la configuración presentada (porcentaje de sumersión del 88% - cabeza de bombeo de 0.41 m) y presión de inyección de 5 psi. Además, se puede observar que a medida que aumenta la presión de inyección disminuye la eficiencia del sistema de bombeo, debido a que la potencia que se presenta para compresión del aire es mayor con respecto a la potencia desarrollada para el desplazamiento de la fase liquida, debido las pérdidas que se presenta por el efecto del deslizamiento entre la fase liquida y la fase gaseosa a lo largo de la tubería de ascensión. A continuación se presentaran las curvas de eficiencia del sistema de bombeo Eficiencia del modelo 1 con la configuración 1 del sistema de descarga y la Eficiencia del modelo 1 con la configuración 2 del sistema de descarga presentado en la Tabla 4 Descripción del sistema de descarga. Para una cabeza de bombeo del 1.7 m con su respectivo porcentaje de sumersión del 50 % respecto a la longitud total.

Gráfica 4 Eficiencia del modelo 1 con la configuración 1 del sistema de descarga para una cabeza de 1.7 m con

porcentaje de sumersión del 50%

Gráfica 5 Eficiencia del modelo 1 con la configuración 2 del sistema de descarga para una cabeza de 1.7 m con

porcentaje de sumersión del 50%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25 30 35 40

η(%

)

Q aire inyectado(gl/min)

Eficiencia Experimental del Sistema de Bombeo 50% longitud de la tubería sumergida+Configuración 1. Hlift=1,7m Modelo 1

5 PSI

10 PSI

20 PSI

30 PSI

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25 30 35 40

η(%

)

Q aire inyectado(gl/min)

Eficiencia Experimental del Sistema de Bombeo 50% longitud de la tubería sumergida+Configuración 2. Hlift=1,7 m Modelo 1

5 PSI

10 PSI

20 PSI

30 PSI

25

Al comparar la Gráfica 4 Eficiencia del modelo 1 con la configuración 1 del sistema de descarga para una cabeza de 1.7 m con porcentaje de sumersión del 50% y la Gráfica 5 Eficiencia del modelo 1 con la configuración 2 del sistema de descarga para una cabeza de 1.7 m con porcentaje de sumersión del 50%, observamos que la máxima eficiencia que se presentan para los dos tipos de configuración de instalación es de 18% para el modelo 1 con una cabeza de 1.7 m y el porcentaje de sumersión del 50% de la longitud total de la tubería de bombeo. Con respecto a la configuración de descarga que se definió para la instalación en el punto de descarga, se puede destacar que las pérdidas con respecto al punto de descarga son mínimas como se menciona en la teoría presentada. Cabe resaltar que el sistema de descarga que registra el mejor desempeño es la configuración 2 (salida directa), debido a que el sistema muestra un amplio rango de operación con respecto al caudal de aire inyectado, debido a que mantiene la eficiencia máxima del sistema de bombeo. En cambio la configuración 1, se observa que solo hay mínimo rango de máxima eficiencia con su respectiva cauda de aire inyectado. Si se compara la Gráfica 3 Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 1 para una cabeza de bombeo de 0.41 con su respectivo porcentaje de sumersión del 88 % y Gráfica 5 Eficiencia del modelo 1 con la configuración 2 del sistema de descarga para una cabeza de 1.7 m con porcentaje de sumersión del 50%, con respecto a las especificaciones del modelo 1, se puede destacar que el factor de sumersión afecta la eficiencia del sistema, la configuración del modelo 1 a una cabeza de bombeo de 0.41 m con su respectiva sumersión del 88%, reporta eficiencia de 27%, y para una cabeza de 1.7 m con su respectiva sumersión del 50%, se reporta eficiencia de 18%, con presión de inyección para los dos casos de 5 psi. De lo cual se resalta que el porcentaje de sumersión afecta en gran medida la eficiencia del sistema. A continuación se presentara los resultados de los modelos 2, 3 y 4 el desempeño del sistema para diferentes cabezas de bombeo y su respectivo porcentaje de sumersión respecto a la longitud total del sistema de bombeo. En la Tabla 6 Cabeza de bombeo o ascensión y relación de sumersión respecto a la tubería de bombeo, se presenta el resumen de los valores de los parámetros mencionados, con el fin de reconstruir el modelo presentado en Tabla 2 Resultados Experimentales Previos de Ward y Kessier.

H bombeo (m) α(%)

2 90.17

4 80.33

6 70.50

8 60.67

10 50.84

12 41.00 Tabla 6 Cabeza de bombeo o ascensión y relación de sumersión respecto a la tubería de bombeo

En la Gráfica 6 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 2, Gráfica 7 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 3 y Gráfica 8 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 4 con respecto a las características presentadas en la Tabla 3 Especificaciones geométricas del sistema y modelos experimentales. Las curvas que se presentan son un resumen de las curvas de operación, puntos de mejor eficiencia del sistema para cada una de las cabezas de bombeo analizadas de la Tabla 5 Configuración de la instalación del sistema de medición. Se procedió a caracterizar el comportamiento del sistema con respecto al sistema de inyección y el porcentaje de sumersión; evaluando las características del sistema que influyen en

26

el desempeño del sistema de bombeo. Los resultados de la eficiencia del sistema bombeo que se obtiene mediante la ecuación Ec. 4.

Gráfica 6 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 2

En la Gráfica 6 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 2, el punto de mayor eficiencia de 42.3 % para a una cabeza de bombeo de 8m y con un porcentaje de sumersión del 60.7%, con tubería de inyección del 3/8 de pulgada. Curvas de eficiencia para cada cabeza de bombeo se presentan en los anexos, Gráfica 15 Curvas de eficiencia para cada una de las cabezas de bombeo analizado, modelo 2


En la Gráfica 7 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 3, el punto de

mayor eficiencia registrado es de 34% para a una cabeza de bombeo de 6m y con un porcentaje de

sumersión del 75.42 %, para una tubería de inyección del 1/4 de pulgada. Curvas de eficiencia para

05

10152025303540455055

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

η(%

)


Puntos de Mejor Eficiencia Experimental del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 3/8 pulgada, para diferentes Cabezas de Bombeo. Modelo 2

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

Series2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

η(%

)


Puntos de Mejor Eficiencia Experimental del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 1/4 pulgada, para diferentes Cabezas de Bombeo. Modelo 3

Series7

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

27

cada cabeza de bombeo se presentan en el anexo, Gráfica 19 Curvas de eficiencia para cada una

de las cabezas de bombeo analizado, modelo 3.


En la Gráfica 8 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 4, el punto de

mayor eficiencia es alrededor de 52.4% con cabeza de bombeo de 10m y con un porcentaje de

sumersión del 50.84 %. Tubería de inyección del 1/4 de pulgada. Curvas de eficiencia para cada

cabeza de bombeo se presentan en el Anexo Gráfica 23 Curvas de eficiencia para cada una de las

cabezas de bombeo analizado, modelo 4.

Comparando la Gráfica 6 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 2, Gráfica

7 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 3 y Gráfica 8 Puntos de Mejor

Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 4. Se puede observar que el efecto del sistema de

inyección tiene gran influencia en el desempeño del sistema, como se presenta en el sistema de

inyección compuesto con la tubería de poliuretano de ½ pulgada de diámetro (eficiencia del 53%)

registrando mejor desempeño que el sistema de inyección conformado por la tubería de

poliuretano de ¼ de pulgada de diámetro (eficiencia del 35%), la diferencia es alrededor de 18%

de los resultados obtenidos. Se destaca que a medida que aumenta el diámetro de la tubería de

inyección aumente la eficiencia, aumenta la cabeza de bombeo y reduce el porcentaje de

sumersión de la tubería de bombeo, debido a que tiene mayor área transversal permitiendo

generar mayor distribución de la fase gaseosa en la fase liquida, desarrollando el patrón de flujo

deseado.

A continuación se presentan las características que flujo del modelo 4, el cual presenta el mayor

desempeño a comparación del modelo 2 y 3. En la Gráfica 9 Régimen de transición del sistema de

bombeo para el modelo 4 para diferentes cabezas de bombeo y su respectivo nivel de sumersión

con respecto a la tubería de bombeo, buscando observar el desarrollo del flujo a través de la

tubería de bombeo. En el anexo se encuentra la Gráfica 12 Régimen de transición del sistema de

05

1015202530354045505560

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

η(%

)


Eficiencia Experimental del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 1/2 pulgada, para diferentes Cabezas de Bombeo. Modelo 4

Hlift 10m

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 12m

Series7

28

bombeo para el modelo 2 para diferentes cabezas de bombeo y su respectivo nivel de sumersión

con respecto a la tubería de bombeo y Gráfica 16 Régimen de transición del sistema de bombeo

para el modelo 3 para diferentes cabezas de bombeo y su respectivo nivel de sumersión con

respecto a la tubería de bombeo.

Gráfica 9 Régimen de transición del sistema de bombeo para el modelo 4 para diferentes cabezas de bombeo y su

respectivo nivel de sumersión con respecto a la tubería de bombeo

En la Gráfica 9 Régimen de transición del sistema de bombeo para el modelo 4 para diferentes cabezas de bombeo y su respectivo nivel de sumersión con respecto a la tubería de bombeo, se observa las características del régimen del flujo, donde el patrón dominante para este tipo de configuración es el régimen slug. Si se observa detenidamente el sistema presenta la siguiente característica, a medida que disminuye la cabeza de bombeo y aumenta el porcentaje de sumersión el flujo tiende al régimen burbujeante distribuyendo homogéneamente las burbujas que se presentan dentro de la tubería como se define el régimen (modelo 4 para una cabeza de bombeo de 2 metros). Cabe destacar que la cabeza de bombeo de mayor eficiencia tiende a régimen turbulento o de remolinos. Así que a mayor cabeza de bombeo del sistema desarrolla una mezcla heterogénea (modelo 4 para una cabeza de bombeo de 12 metros). En la Gráfica 10 Flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico del aire inyectado para el modelo 4, para cada una de las cabezas analizadas. En el anexo se encuentra el flujo másico de agua en función del flujo másico del aire inyectado para los modelos 2 y 3, Gráfica 13 Flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico del aire inyectado para el modelo 2 y Gráfica 17 Flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico del aire inyectado para el modelo 3 respectivamente.

29

Gráfica 10 Flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico del aire inyectado para el modelo 4

En la Gráfica 10 Flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico del aire inyectado

para el modelo 4, se puede destacar que a medida que disminuye la cabeza de bombeo y aumenta

la relación de sumersión aumenta el flujo másico de agua desplazada hacia el punto de descarga.

Relacionando la Gráfica 9 Régimen de transición del sistema de bombeo para el modelo 4 para

diferentes cabezas de bombeo y su respectivo nivel de sumersión con respecto a la tubería de

bombeo y Gráfica 10 Flujo másico de agua desplazada en función del flujo másico del aire

inyectado para el modelo 4, se puede destacar que es un régimen burbujeante (mezcla

homogénea de las dos fases) generado mayor bombeo de la fase liquida. Pero a medida que

aumenta la cabeza de bombeo y disminuye la relación de sumersión afecta en gran medida el flujo

másico de agua desplazada, donde se demuestra que en el régimen de flujo turbulento o

remolinos presenta mayor influencia el efecto de deslizamiento debido a que se percibe con la

disminución del flujo másico del agua bombeada, generando el desplazamiento del fluido hacia las

paredes de la tubería, generando así flujo pulsante.

A continuación se presenta la gráfica de presión en el punto de inyección del sistema de bombeo

para el modelo 4, cabe destacar que el proceso de compresión es isotérmica donde no hay perdida

de calor durante la operación del sistema y la variación de temperatura es mínima. En el anexo se

encuentra la Gráfica 14 Presión de inyección en resultante del sistema de bombeo, Modelo 2 y

Gráfica 18 Presión de inyección en resultante del sistema de bombeo, Modelo 3 respectivamente.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

ṁ H

2O

(kg

/h)

ṁ aire (kg/h)

Flujo Másico del Agua desplazada Vs Flujo Másico de Aire Inyectado del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 1/2 pulgada, , para diferentes Cabezas

de Bombeo. Modelo 4

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

30

Gráfica 11 Presión de inyección en resultante del sistema de bombeo, Modelo 4

En la Gráfica 11 Presión de inyección en resultante del sistema de bombeo, Modelo 4, se logra

destacar que a medida que disminuye la cabeza de bombeo y aumenta el porcentaje de

sumersión, la presión de inyección aumenta. Además, cabe resalta que a medida que aumenta el

caudal de aire inyectado, la presión tiene tendencia lineal. Pero si la cabeza de bombeo aumenta y

la relación de sumersión disminuye, la presión de inyección disminuye, asimismo si aumenta el

caudal de aire inyectado la tendencia de la presión presenta un comportamiento constante.

A continuación se presentan las condiciones de operación de los modelos experimentales

obtenidos mediante las ecuaciones Ec. 4 y la Ec. 7 (las variables presentadas en la tabla son las

siguientes: caudal de aire inyectado, cabeza de bombeo y presión de inyección del sistema). El

proyecto de caracterización del sistema de bombeo se basó a partir de las condiciones

presentadas en la Tabla 2 Resultados Experimentales Previos de Ward y Kessier.

Condiciones de Operación Estimadas Dimensiones de la tubería de ascensión

Referencia Qg(m^3/s) Qg(L/min) Hlift (m) P1a(Pa) P1m(Pa) P1m(Psi) X2(ft) D (in) x2(m) D (m) A(m^2)

Wilson 0.010614 636.84 0.67 104171.11 2846.11 0.41 9.18 3 2.80 0.0762 0.00456

Ward and Kessler

0.005923 355.36 2.31 129186.58 27861.58 4.04 37.85 3 11.54 0.0762 0.00456

0.005923 355.36 3.71 163557.16 62232.16 9.03 60.88 3 18.56 0.0762 0.00456

0.005923 355.36 3.73 161668.96 60343.96 8.75 61.26 3 18.67 0.0762 0.00456

0.005923 355.36 4.98 178135.09 76810.09 11.14 81.63 3 24.88 0.0762 0.00456

0.005923 355.36 7.67 241733.46 140408.46 20.36 100.64 3 30.68 0.0762 0.00456

0.003980 238.79 5.57 176619.45 75294.45 10.92 60.88 2.5 18.56 0.0635 0.00317

Bauer and Pollard

0.002079 124.73 1.06 108597.96 7272.96 1.05 20.5 2 6.25 0.0508 0.00203

0.001045 62.73 1.37 111379.32 10054.32 1.46 20.5 1.5 6.25 0.0381 0.00114

Ward and Kessler

0.001045 62.73 5.57 235932.93 134607.93 19.52 60.88 1.5 18.56 0.0381 0.00114

0.000406 24.36 8.56 294670.00 193345.00 28.04 62.4 1 19.02 0.0254 0.00051

Gosline 0.000406 24.36 3.48 285983.65 184658.65 26.78 26.56 1 8.10 0.0254 0.00051

Tabla 7 Condiciones de operación con respecto a modelos experimentales realizados anteriores a este proyecto

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

P(p

si)


Presiones de Inyección del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 1/2 pulgada, para diferentes Cabezas de Bombeo. Modelo 4

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

31

A partir de la Tabla 7 Condiciones de operación con respecto a modelos experimentales realizados

anteriores a este proyecto, se seleccionó el modelo de Ward and Kessier para un diámetro de

tubería de 1 pulgada nominal estándar con una longitud de tubería de bombeo de 19.02 m

registrando eficiencia del sistema de bombeo para la mezcla de dos fases (liquida y gaseosa) igual

a 56 % resultados se presentan en la Tabla 2 Resultados Experimentales Previos de Ward y

Kessier, para una cabeza de bombeo de 8.56m con caudal de aire inyectado igual a 24.36 litros por

minuto y bombea 17.61 litros por minuto de la fase liquida.

La configuración que más se aproxima al punto de mejor desempeño presentado por Ward and

Kessier es el modelo 4, se presentan la configuración en la Tabla 3 Especificaciones geométricas

del sistema y modelos experimentales. Cabe destacar que el sistema de bombeo de este modelo

tiene una longitud de 20.34 m y un diámetro nominal de 1 pulgada donde eficiencia es alrededor

de 53%. Las condiciones del punto de mejor desempeño tiene las siguientes características: cabeza

de bombeo alrededor de 10 m con un caudal de aire inyectado igual a 19 litros por minuto y

bombeando 12.1 litros por minuto, cabe destacar que el modelo desarrollado ha sido una

aproximación con respecto a las condiciones geométricas y de operación, debido a que se logra

identificar las variables que afectan el desempeño del sistema de bombeo mediante burbujas

ascendentes.

32

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Este documento constituye una síntesis de los principales estudios del sistema de bombeo,

además es un intento de extraer las principales características que son fundamentales para lograr

evaluar, diseñar y caracterizar la configuración del sistema de bombeo mediante burbujas

ascendentes. Además constituye una base teórica para la persona que desee trabajar con este

sistema de bombeo.

El desempeño del sistema de bombeo depende fundamentalmente de los siguientes parámetros

geométricos (componentes que integran el sistema de inyección, longitud de la tubería de

ascensión o de bombeo y diámetro de la tubería) y parámetros de operación (porcentaje de

sumersión – cabeza de bombeo, configuración de inyección, caudal de aire inyectado y la presión

de inyección).

Respecto al efecto de la tubería de bombeo tiene gran influencia en el desempeño de la bomba, si

la longitud de la tubería aumenta puede llegar a lograr registrar eficiencia superior al 60% debido a

que es una de las características del sistema de bombeo (mayor profundidad de bombeo),

tomando como referencia los resultados obtenidos del modelo 1 con respecto a los demás

modelos generados, además se puede resaltar que este parámetro que influye en los paramentos

de operación, configuración de descarga y de inyección.

Las pérdidas con respecto a la configuración del sistema de inyección o de descarga se logra

deducir lo siguiente: respecto a la configuración de descarga propuesta las pérdidas son mínimas,

de tal manera que el sistema de descarga puede ser directa o con reservorio, cabe destacar que el

sistema de descarga recomendado es la configuración de descarga directa, debido a que mantiene

un mayor rango de operación del caudal de aire inyectado para la máxima eficiencia del sistema.

En cambio, el sistema de inyección influye en el desarrollo del flujo así afectando críticamente el

desempeño del sistema de bombeo, a medida que el caudal se distribuye uniformemente en todo

el área de la sección transversal de la tubería de bombeo el flujo desarrolla el régimen homogéneo

(atomizando las burbujas), permitiendo mayor flujo de la fase liquida desplazada o bombeada.

Resaltado que el régimen patrón de este tipo de sistema, basado en las condiciones propuestas,

es el régimen slug. Además el sistema operar con flujo continuo o flujo pulsante en el régimen

slug.

El efecto que tiene gran influencia en las perdidas del sistema es el deslizamiento (aumento de la

presión o de la velocidad de la fase gaseosa en el área transversal de la tubería de bombeo) entre

de las fases presente en la mezcla, debido a que dicho efecto desplaza la fase liquida o la

suspensión a las paredes generando que mezcla no sea homogénea y que la fase gaseosa se

desplace verticalmente únicamente en el interior de la tubería (flujo pulsante), además está

presente la diferencia de propiedades físicas de cada una de las fases presente en la mezcla

destacando que a medida que el régimen slug tiende al régimen burbujeante, el flujo másico de la

fase líquida desplazada es mayor con respecto al flujo másico de aire inyectado. En cambio el

33

efecto de la fricción en el sistema de bombeo representa entre el 0.5 y 5% de la cabeza total

desarrollada por el sistema de bombeo.

La operación del sistema de bombeo respecto a la configuraciones realizadas, se destaca que el

rango de operación de la presión inyección debe estar en el rango de 5 a 15 psi, debido a que

requiere minimizar la potencia consumida en el proceso de compresión isotérmica del aire

manteniendo la presión de inyección, el caudal de aire inyectado se registra en el rangos de 10 a

38 litros por minuto como se presenta en la Gráfica 6 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema

bombeo para el modelo 2, Gráfica 7 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el

modelo 3 y Gráfica 8 Puntos de Mejor Eficiencia del sistema bombeo para el modelo 4, para

porcentajes de sumersión entre 80 y 50 % de la longitud de la tubería.

Para proyectos futuros, se recomienda con respecto a las configuraciones realizadas evaluar el

desempeño de sistema para mezclas de 2 fases como se presenta en este proyecto y para mezclas

de 3 fases. Con el objetivo de evaluar el desempeño del sistema en función del diámetro tubería

con el fin de ampliar o reducir el espectro de variables que tiene gran influencia en el desempeño

del sistema. Además del análisis propuesto, se debe realizar simulación que ayuden a estimar el

comportamiento basado en las siguientes referencias (Nenes, Assimacopoulos, Markatos, &

Mitsoulis), (Sadek Z. Kassab, 2008), (Wurts & Overhults, 2012), (Clark & Dabolt, 1986) y (Riglin,

2011).

Aunque el análisis numérico del sistema es complejo debido a las condiciones del flujo de la fase

gaseosa, flujo de la fase liquida, el vacío local o fracción de la fase gaseosa ocupada y la gradiente

de presión local, son variables varían a lo largo de la tubería en las diferentes secciones generadas.

Así el problema de optimizar es similar a otros problemas en que los efectos totales pueden ser

solamente determinados por la integración sobre la longitud de la tubería bajo ciertas

consideraciones de operación. Con el fin de generar configuración de instalación del sistema de

bombeo buscado destacar características y desempeño con respecto a otros tipos de bombeo.

Además de las sugerencias presentadas anteriormente, se recomienda diseñar un sistema

mecánico de inyección (reduciendo el tamaño de las burbujas buscado que el sistema tienda al

régimen de flujo burbujeante, logrando así bombear o ascender mayor flujo de la fase liquida

hacia el punto de descarga y logrando desarrollar mayor cabeza de bombeo) mejorando el

desempeño del sistema. Por ultimo con el desarrollo que se pueda lograr con respecto a estas

recomendaciones presentadas puede ser la base para buscar aplicaciones del sistema en el

mercado colombiano y en el mundo.

34

Referencias 1. Bohnen, A. (2004). Air Actuated Pumping Technology in Urban Drainage. Thesis, The University

of British Columbia, Civil Engineering, Vancouver.

2. Clark, N. N., & Dabolt, R. J. (1986). A General Design Equation for Air Lift Pump Operating in

Slug Flow. AIChE journal, 32, 56 - 64.

3. D. J. Reinemann, J. P. (1989, June 30). Theory of small-diameter arilift pumps. 10.

4. D.J Reinemann, J. Y. (1989, Junio 30). Theory of small diameter airlift pumps . New York.

5. Friedel, L. (1979). Improved friction pressure drop correlations for horizontal and vertical two

phase pipe flow. (E. T.-p. Group, Ed.)

6. Gamal, A.-N., Mahrous, A.-F., & El-Kom. (2012). Numericla Study of Solid Particles - Based

Airlift Pump Performance. Menofiya University, Mechanical Power Enegineering Deparment ,

Egypto.

7. Gudipati, S. (2005). Distributed Airlift Systems design with Application to Recirculating Soft

Shell Crawfish Shedding Systems. Louisiana State University and Agricultural and Mechanical

College, Lousiana.

8. Hitoshi Fujimoto, S. M. (2004, Februry 18). Effect of local pipe bends on pump performance of

a samll air-lift system in transporting solid particles. Science Direct, 10.

9. Nenes, A., Assimacopoulos, D., Markatos, N., & Mitsoulis, E. (n.d.). Simulation of Airlift Pump

for Deep Water Wells. University of Ottawa, Deparment of Chemical Engineering.

10. Nicklin, D. J. (1963). The Air Lift Pump: Theory and Optimisation. Institution of chemical

Engineers, 41, 30-39.

11. Riglin, J. (2011). Performance Characteristics of Air Lift With Vortex Induced By Tangencial Fluid

Inyectio. Bucknell University, Departamento de Ingeniería. Bucknell Digital Commos.

12. Sadek Z. Kassab, H. A. (2008, November 13). Air-lift pumps characteristics undes two-phase

flow conditions . ScienceDirect, 11.

13. Samaras, V. C., & Margaris, D. P. (2005). Two Phase Flow Regime Maps For Air Lift Pump

Vertical Upward Gas - Liquid Flow. Science Direct, 757 - 766.

14. Samaras, V. C., & Margaris, D. P. (2010, September). Investigating Experimentally Flow

Regimes inThree Phase Air Lift Pump. Praise Worthy Price, 4(6), 726-732.

15. sfm Flow Air, Water and Energy. (2012). SFM flow. Retrieved Mayo 29, 2013, from

http://www.sfmcompresores.com/

16. Taylor, M. (2006, agosto 9). Retrieved agosto 1, 2012, from

http://www.cronicasinfin.com/noticias/Historia_de_Tesla_Motors_EVs.pdf

17. V.C. Samaras, D. M. (2005, Marzo 24). Two-phase flow regime maps for air-lift pump vertical

upward gas liquid flow.

18. Wurts, W. A., & Overhults, S. G. (2012, Agosto 24). Performance and design Characteristics of

airlift pump for field application . kentucky.

19. Yang Lin, C. S.-p.-L. (2008, Diciembre). Study on improving performance of airliftdevice by self

excited oscillation pulsed jet used in mining under water.

20. Yoshinaga, T., & Sato, Y. (1995). Performance of an air lift pump . Pergamon , 223-238.

35

Anexos





0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2 4 6 8 10

Ve

loci

dad

de

l Agu

a d

esp

laza

da

JL (

m/s

)

Velocidad Superficial del Aire Jg (m/s)

Régimen de Flujo del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 3/8 pulgada, para diferentes Cabezas de Bombeo. Modelo 2

Series6Series7Series8Hlift 2mHlift 4mHlift 5mHlift 6mHlift 8mHlift 10mHlift 12m

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

ṁ H

2O

(kg

/h)

ṁ aire (kg/h)

Flujo Másico del Agua desplazada Vs Flujo Másico de Aire Inyectado con Tuberia de Inyeccion de 3/8 pulgada, para diferentes Cabezas de Bombeo. Modelo 2

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 5m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

P(p

si)



Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 5m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

36

Gráfica 15 Curvas de eficiencia para cada una de las cabezas de bombeo analizado, modelo 2




05

101520253035404550

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

η(%

)



Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 5m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2 4 6 8 10Ve

loci

dad

de

l Agu

a d

esp

laza

da

JL (

m/s

)


Flujo Másico del Agua desplazada Vs Flujo Másico de Aire Inyectado del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 1/4 pulgada, para diferentes Cabezas de

Bombeo. Modelo 3 Series6Series7Series8Hlift 2mHlift 4mHlift 5mHlift 6mHlift 8mHlift 10mHlift 12m

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

ṁ H

2O

(kg

/h)

ṁ aire (kg/h)


Bombeo. Modelo 3

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 5m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

37





0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

P(p

si)



Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 5m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

η(%

)



Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 5m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2 4 6 8 10Ve

loci

dad

de

l Agu

a d

esp

laza

da

JL (

m/s

)



Bombeo. Modelo 4 Series6

Series7

Series8

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

38




0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,5 1 1,5 2

ṁ H

2O

(kg

/h)

ṁ aire (kg/h)


Bombeo. Modelo 4

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

P(p

si)



Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 10m

Hlift 12m

05

1015202530354045505560

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

η(%

)


Eficiencia Experimental del Sistema de Bombeo con Tuberia de Inyeccion de 1/2 pulgada, para Diferente Nivel de Sumersión Modelo 4

Hlift 10m

Hlift 2m

Hlift 4m

Hlift 6m

Hlift 8m

Hlift 12m

39

Análisis de Costos Sistema de bombeo

Componentes Cantidad Característica Precio por Unidad (COP) Total (COP)

Tubería PVC 1" 5 6 m $ 23,622.00 $ 118,110.00

Tee PVC 1" 1 - $ 1,600.00 $ 1,600.00

Unión Hembra 1" 8 - $ 1,200.00 $ 9,600.00

Unión Macho 1" 8 - $ 950.00 $ 7,600.00

Unión Universal 1" 1 - $ 7,700.00 $ 7,700.00

Soldadura 1 - $ 56,591.00 $ 56,591.00

Limpiador 1 - $ 27,286.00 $ 27,286.00

Total (COP) $ 228,487.00

Tabla 8 Análisis de costos del sistema de bombeo

Sistema de Inyección

Componentes Cantidad Característica Precio por unidad (COP) Total (COP)

Manguera Tubing Poliuretano 30 1 m $ 4,300.00 $ 129,000.00

Válvula de bola 1 1/4 x 1/4 $ 1,600.00 $ 1,600.00

Prestolock Codo 1/2 4 - $ 4,100.00 $ 16,400.00

Prestolock Unión 1/2 x 1/4 6 - $ 1,200.00 $ 7,200.00

Compresor SFM 11,33 K17 1 - $ 229,900.00 $ 229,900.00

Acople Reducción 3/8 x 1/4 2 - $ 3,400.00 $ 6,800.00

Acople Reducción 1/2 x 1/4 2 - $ 3,600.00 $ 7,200.00

Manómetro Winters 1 0 - 60 psi $ 48,000.00 $ 48,000.00

Rotámetro 1 0.5 a 4 GPM $ 330,000.00 $ 330,000.00

Total (COP) $ 776,100.00

Tabla 9 Análisis de costos del sistema de inyección de aire

Imagen 10 Registro fotográfico del compresor tomado de la referencia (sfm Flow Air, Water and Energy, 2012)

Referencia SFM 11,33 K17

Características Valor

motor(HP) 2

Cilindros 2 L

Caudal (CFM) 11.33

Cabezote K17

Velocidad (RPM) 1000

Etapas 1E

Voltaje (V) 110- 220

Presion (psi) 120

Altura (cm) 103

Largo (cm) 117

Ancho (cm) 50

Tanque (Gl) 40

Tabla 10 Características técnicas del compresor SFM 11,33 K17 tomado de la referencia (sfm Flow Air, Water and Energy, 2012)

caracterización del sistema de bombeo mediante burbujas

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