MXPA99004280A - Sistema de bomba de cavidad progresiva en cascada - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una bomba de cavidad progresiva que tiene un puerto de succión y un puerto de descarga, que comprende:una primera sección de bomba capaz de operar a una primera velocidad de volumen de flujo, la primera sección de bomba incluyendo una entrada en comunicación de fluido con el puerto de succión, una salida, un rotor en la forma de un engranaje helicoidal con por lo menos una guía, y un estator que tiene un agujero interno en la forma de un engranaje helicoidal con más de una guía que el rotor de la primera sección de bomba;y una segunda sección de bomba capaz de operar a segunda velocidad de volumen de flujo, dicha segunda sección de bomba incluyendo una entrada en comunicación de fluido con la salida de la primera sección de bomba, una salida en comunicación de fluido con el puerto de descarga, un rotor en la forma de un engranaje helicoidal con por lo menos una guía, y un estator teniendo un agujero interno en la forma de un engranaje helicoidal con más de una guía que el rotor de la primera sección de bomba;la segunda velocidad de volumen de flujo siendo menor que la primera velocidad de volumen de flujo.

Description

SISTEMA DE BOMBA DE CAVIDAD PROGRESIVA EN CASCADA ANTECEDENTES La presente invención se refiere a bombas de engranajes helicoidales, y más particularmente a una disposición de bombas de engranaje helicoidales en donde la distribución de presión interna está uniformemente distribuida a través de la disposición de bomba.

Una bomba de engranajes helicoidal típica, o bomba de cavidad progresiva, comprende un rotor externamente roscado coactuando con un estator roscado internamente helicoidal, en donde el estator tiene un cable o inicio más que el rotor. Las bombas de este tipo general típicamente son construidas con un rotor metálico rígido y un estator, el cual está formado a partir de un material flexible o elástico tal como hule. El rotor se hace para fijarse dentro de el agujero de estator con un ajuste con apriete, es decir, existe un ajuste compresor entre el rotor y el estator. Este ajuste compresor da como resultado líneas de sello en donde hacen contacto el rotor y el estator. Estas líneas de sello definen o sellan cavidades definitivas unidas mediante la superficies del rotor y estator. Un grupo completo de líneas de sello define una etapa de la bomba, y la capacidad de presión de una bomba de este tipo es una función del número de etapas. Durante operación, la bomba de cavidad progresiva debe trabajar para superar las condiciones externas, tales como el bombeo de fluidos a través de grandes longitudes de tubería, y, por lo tanto, se crea una presión diferencial por la bomba al contrarrestar dichas condiciones externas. A medida que la presión externa se incrementa, la impresión diferencial debe incrementarse para superar esta presión. Con el fin de incrementar la capacidad de presión de una bomba de cavidad progresiva, es una práctica común incrementar el número de etapas de bomba agregando la longitud del rotor y estator. Es bien conocido que cuando una bomba de cavidad progresiva con múltiples etapas bombea, ia presión diferencial interna no está uniformemente distribuida a través de toda ia longitud del rotor/estator. Las pruebas han mostrado que una cantidad desproporcionada de la presión es llevada por las etapas más cercanas al extremo de descarga de la bomba. Esto se debe a la presión que será distribuida en la bomba, la presión debe ser capaz de pasar de una cavidad hacia la siguiente escapándose a través de las líneas de sello. Este escape a través de las líneas de sello también es conocido como "desliz". Sin embargo, el escape solamente puede ocurrir cuando se obtiene cierta presión mínima para desviar al miembro de rotor o estator elástico. Por lo tanto, cuando existe la presión mínima en una cavidad para permitir el escape a través de las líneas de sello formando la cavidad, la presión que se escapa hacia la segunda cavidad probablemente no será suficiente para permitir el escape hacia una tercera cavidad, a una cuarta, etc. Este es el por que, a presiones muy bajas, toda la presión diferencial puede ser desarrollada por la ultima etapa solamente. Un problema importante con esta distribución de presión desproporcionada es que la presión excesiva en las etapas de descarga del par de rotor/estator ocasiona el desarrollo excesivo de calor en las etapas de descarga del estator, lo cual comúnmente da como resultado una falla prematura de la bomba. Además, esta distribución de presión desproporcionada en bombas de cavidad progresiva es exacerbada en aplicaciones en donde existe una cantidad significativa de gas en el fluido que se está bombeando. Las bombas de cavidad progresiva típicas pueden ser utilizadas para bombear una amplia variedad de fluidos, incluyendo fluidos con sólidos en suspensión, fluidos de alta viscosidad, y fluidos sensibles al esfuerzo cortante; y ya que las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento positivo, pueden bombear fluidos con gases que entran sin el cierre de vapor. Sin embargo, ya que las bombas de cavidad progresiva generalmente tienen valores de escape interno más bajos que otros tipos de bombas de desplazamiento positivas giratorias, están limitadas en su capacidad para manejar altas relaciones de gas a líquido, en donde se requieren altas presiones diferenciales, debido a las limitaciones de temperatura del material estator elastomérico.

Los fluidos que son una combinación de gas y líquido son típicamente denominados fluidos de dos fases; y cuando la fase líquida del fluido de gas y líquido es una combinación de diferentes líquidos, tal como aceite y agua, los fluidos típicamente son denominados fluidos de fase múltiple. Los fluidos de fase múltiple crean problemas especiales para las bombas de cavidad progresiva debido a la capacidad de compresión de la fase de gas del fluido. El volumen del fluido de fase múltiple que entra a las cavidades progresivas de rotor/estator es determinado por la presión en la entrada hacia las cavidades. Por lo tanto, debido a las presiones internas en incremento hacia el extremo de descarga, a medida que el fluido de fase múltiple progresa a través de la longitud del par de rotor/estator, el gas se comprimirá, reduciendo el volumen de fluido total. Sin embargo, ya que el volumen de cavidad permanece constante, la distribución de presión desproporcionada discutida anteriormente será aún más pronunciada, dando como resultado un desarrollo exacerbado de calor en las últimas etapas de la bomba. Esto ocurre como resultado de las Leyes de Gas, las cuales establecen que a medida que la presión se incrementa, el volumen se reducirá y la temperatura se incrementará. Teóricamente, si el volumen del gas no se deja reducir a medida que éste pasa a través de la bomba, y la presión se incrementa, la temperatura se incrementará substancialmente. Las pruebas han mostrado que este incremento de temperatura ocurre, pero no al grado indicado teóricamente. El desarrollo exacerbado de calor también ocurre como resultado del escape incrementado a través de las líneas de sello cerca del extremo de descarga, lo cual da como resultado una flexión incrementada del miembro de rotor o estator elástico, que a su vez se agrega al desarrollo de calor en el hule. Una solución conocida a este problema es aflojar el ajuste compresor entre el rotor y estator uniformemente a lo largo de la longitud del par de rotor/estator, para incrementar la cantidad de escape interno o desliz desde las cavidades progresivas. Este ajuste suelto promueve una mejor distribución de la presión a través de la longitud del par de rotor/estator; sin embargo, el ajuste suelto también reduce la capacidad total de la presión de la bomba, y de esta manera da como resultado un desgaste incrementado y una vida reducida del rotor y estator. Otra solución reconocida para el problema es alterar la geometría del rotor y estator para proporcionar una bomba con cavidades progresivas que sean más pequeñas en su distancia desde el extremo de succión. Una invención de este tipo se describe en la patente de E.U.A. número 2,765,114 de Chang, la cual describe un rotor con forma de cono y un estator con forma de cono utilizados para formar un compresor. Sin embargo, la herramienta requerida para construir dicho compresor es costosa. Por consiguiente, existe la necesidad de una disposición de bomba de cavidad progresiva, la cual sea capaz de bombear fluidos de dos fases y de fases múltiples, y especialmente en donde los gases de los fluidos comprendan 50% más del volumen total de fluido a condiciones estándares, y el cual no sea susceptible al desarrollo excesivo de calor en el extremo(s) de descarga de la bomba(s) debido a las distribuciones de presión interna insuficientes.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona por lo menos dos bombas de cavidad progresiva o secciones de bomba conectadas en serie. La velocidad del volumen de flujo de la segunda bomba o sección de bomba es menor que la velocidad del volumen de flujo de la primera bomba o sección de bomba. Si existen más de dos bombas o secciones de bombas, la velocidad del volumen de flujo de la tercera bomba o sección de bomba podría ser menor que la velocidad del volumen de flujo de la segunda bomba o la sección de bomba, y así sucesivamente. La disposición en cascada de bombas de cavidad progresiva puede obtenerse interconectando ensambles de bomba separados de extremo a extremo. La disposición en cascada de las secciones de bomba de cavidad progresiva puede lograrse mediante la unión de los pares de rotor/estator de cada sección de bomba en serie con mecanismos y alojamientos universales adecuados. Dicha disposición en cascada de las bombas de cavidad progresiva o secciones de bomba permite y compensa la capacidad de compresión del gas en el fluido de dos fases o de fases múltiples que está siendo bombeado. La "velocidad del volumen de flujo" es el volumen del fluido que pasa a través de un par de rotor/estator o a través de una bomba de cavidad progresiva por unidad de tiempo. La velocidad de volumen de flujo puede ser modificada ajusfando los tamaños de la cavidad progresiva en el par de rotor/estator o ajusfando la velocidad en donde el rotor gira dentro del agujero de estator. La velocidad de volumen de flujo también puede ser modificada a través de una combinación de los ajustes anteriores. En una modalidad preferida, las cámaras o canales intermedios que interconectan las bombas o los pares de rotor/estator incluyen mecanismos de transferencia de calor tales como ventiladores o "colectores de calor" para ayudar a la disipación del calor del fluido de fases múltiples que se está bombeando. Además, el uso de una válvula de derivación permite la derivación de una porción de fluido que se está bombeando durante el inicio hasta que se obtengan las presiones deseadas del sistema y exista un flujo estable.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en sección transversal longitudinal de una modalidad de la invención, ilustrando una bomba de cavidad progresiva que tiene múltiples pares de rotor/estator; La Figura 2 es un diagrama de bloque de una modalidad de la invención, ilustrando una multitud de bombas de cavidad progresiva conectadas en serie; y La Figura 3 es un diagrama de bloque de una modalidad de la invención, mostrando un grupo de bombas de cavidad progresiva conectadas en paralelo y alimentando otra bomba de cavidad progresiva.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Como se muestra en la Figura 1, una bomba de cavidad progresiva en cascada 10 incluye una cámara de succión 12 y un puerto de descarga 14. La bomba 10 tiene una primera sección de bomba 16 que incluye un tubo estator 18, un tornillo o rotor helicoidal de guía individual 20, y una tuerca o estator helicoidal de guía doble 22; el estator 22 estando montado dentro del tubo de estator 18. El rotor 20 es impulsado por un eje conductor 24, el cual está acoplado al rotor a través de una unión universal 26 como comúnmente es conocido en la técnica. El eje conductor es impulsado por un motor de impulsión 25, acoplado ai eje conductor 24 a través de una unión universal 27. La bomba 10 tiene una segunda sección de bomba 28, la cual incluye un tubo de estator 30, un rotor de guía individual 32, un estator de guía doble 34; el estator 34 estando montado dentro del tubo de estator 30. El rotor 32 es accionado por una barra de conexión 36, la cual está acoplada entre los rotores 20, 32 a través de uniones universales respectivas 38, 40 como es bien conocido en la técnica. Los rotores 20, 32 preferiblemente son metálicos y giran excéntricamente dentro de los estatores 22, 34, respectivamente, los cuales preferiblemente se forman de un material elastomérico elástico flexible. Como se muestra en la Figura 1, a medida que el rotor 20 gira dentro del estator 22 en la primera sección de bomba 16, se forman cavidades progresivas 42, las cuales progresan desde el extremo de succión 44 del primer par de rotor/estator 43 hacia el extremo de descarga 46 del primer par de rotor/estator 43. Así mismo, a medida que el rotor 32 gira dentro del estator 34 en la segunda sección de bomba 28, se forman cavidades progresivas 48, las cuales progresan desde el extremo de succión 50 del segundo par de rotor/estator 49 hacia el extremo de descarga 52 del segundo par de rotor/estator 49. En una revolución de cada rotor, se forman dos grupos separados de cavidades en cada para de rotor/estator respectivo 43, 49; un grupo de cavidades se abren exactamente a la misma velocidad como el segundo grupo de cavidades para cerrar. Esto da como resultado un flujo sin pulsación, que se puede predecir. La longitud de paso de los estatores 22, 34 es el doble de aquella de los rotores 20, 32, y en la presente modalidad, las combinaciones de par de rotor/estator se identifican como elementos de perfil de 1:2, los cuales representan una guía sobre el rotor y las dos guías sobre el estator. Como un experto en la técnica reconocerá, ia presente invención también puede ser para utilizarse con bombas de cavidad progresiva más complejas tales como diseños de 9:10, en donde el rotor tiene nueve guías y el estator tiene diez guías (como es comúnmente conocido en la técnica, cualquier combinación es posible siempre que el estator tenga una guía más que el rotor). El ajuste compresor entre los rotores y sus estatores elastoméricos correspondientes da como resultado una serie de líneas de sello, en donde los rotores hacen contacto con los estatores. Las líneas de sello aseguran la separación de las cavidades individuales que progresan a través de la secciones de bomba con cada revolución de los rotores. El grupo de líneas de sello formadas en una longitud de paso de estator constituye una etapa. La capacidad de presión diferencial de las secciones de bomba de cavidad progresivas se determina a través del número de etapas que tiene una sección de bomba. De esta manera, una sección de bomba de dos etapas tiene el doble de capacidad de presión de una sección de bomba de una sola etapa, una sección de bomba de tres etapas tiene tres veces la capacidad de presión de una sección de bomba de una sola etapa, etc. La "velocidad del volumen de flujo" es el volumen de fluido que pasa a través de una bomba de cavidad progresiva o un par de rotor/estator de la bomba de cavidad progresiva por unidad de tiempo. La velocidad del volumen de flujo puede ser modificada ajusfando los tamaños del rotor y estator, ajustándo así los volúmenes de cavidad promedio en el par de rotor/estator. La velocidad del volumen de flujo también puede ser modificada ajusfando la velocidad a la cual gira el rotor. La velocidad del volumen de flujo también puede ser modificada a través de una combinación de los ajustes anteriores. En la disposición de bomba en cascada de la Figura 1, los rotores 20, 32 están girando a la misma velocidad en sus secciones de bomba respectivas 16, 28. El volumen en cada una de las cavidades 42 en la primera sección de bomba 16 es mayor que el volumen en cada una de las cavidades 48 en la segunda sección de bomba 28. Por lo tanto, la primera sección de bomba 16 tiene una velocidad de volumen de flujo mayor que la segunda sección de bomba 28. Consecuentemente, el volumen más pequeño de las cavidades 48 en la segunda sección de bomba 28 cerca del extremo de descarga de la bomba 10 representa la presión incrementada más cercana al puerto de descarga 14 de la bomba, y, por lo tanto, el incremento en temperatura más cercana al extremo de descarga de la bomba es substancialmente reducido. Esto se ilustra a través de Ley de Gas Universal: P x V = n x R x T (Ec.1) (en donde P es la presión en una cavidad progresiva, V es el volumen de la cavidad progresiva, n es la cantidad de gas en la cavidad progresiva, R es la constante de gas y T es la temperatura del gas). Como se muestra en la ecuación de la Ley de Gas Universal, la temperatura T es proporcional a la presión P veces el volumen V; y en la presente invención, el volumen reducido de las cavidades progresivas 48 en la segunda sección de bomba 28 esencialmente contrarresta el volumen reducido debido a la presión incrementada en esta sección. Por consiguiente, la velocidad del volumen de flujo más pequeña en la segunda sección de bomba (más cercana al extremo de descarga de la bomba) da como resultado un flujo coincidente mejor y una temperatura reducida T en el extremo de descarga de la bomba. Aunque la presente modalidad utiliza dos secciones de bomba de cavidad progresiva en una disposición en cascada, está dentro del alcance de la invención utilizar más de dos secciones de bomba de cavidad progresiva; la velocidad de volumen de flujo de la tercera sección de bomba siendo menor que la velocidad del volumen de flujo de la segunda sección de bomba, la velocidad de volumen de flujo de la cuarta sección de bomba (si se utiliza) siendo menor que la velocidad del volumen de flujo de la tercera sección de bomba, y así sucesivamente. Dicha disposición en cascada de las secciones de bomba de cavidad progresiva permite y compensa la capacidad de compresión del gas en el fluido de dos fases o de fases múltiples que se está bombeando. La cantidad mediante la cual la velocidad del volumen de flujo difiere entre una sección de bomba y la siguiente dependerá de la presión diferencial total a través del sistema de bombeo, la temperatura del fluido en la entrada de la bomba, la relación de gas a líquido del fluido que se esta bombeando y la relación de aceite a agua del fluido que se está bombeando. Como se ¡lustra adicionalmente en la Figura 1, una cámara de sumidero intermedia 54 está presente entre la primera sección de bomba 16 y la segunda sección de bomba 28, y un sistema de enfriamiento 55 es instalado sobre la bomba 10 entre la primera sección de bomba 16 y la segunda sección de bomba 28 para enfriar los fluidos presentes dentro de la cámara de sumidero intermedia 54. El sistema de enfriamiento 55 incluye una pluralidad de colectores de calor o ventiladores de enfriamiento 56 que se extienden a través de la pared de bomba 58 y hacia la cámara de sumidero intermedia 54; y una camisa de enfriamiento anular 60, teniendo un puerto de entrada de refrigerante 62 y un puerto de salida de refrigerante 64, montado a la superficie externa de la pared de bomba, de manera que la camisa 60 rodea las aletas 56 que se extienden a través de la pared. Las aletas 56 actúan para absorber el calor del fluido y el gas que están siendo bombeados a través de la cámara de sumidero intermedia 56, y el refrigerante que fluye sobre las aletas 56 actúa para absorber el calor de las aletas. Por consiguiente, las aletas 56 y la camisa de enfriamiento 60 operan para disipar una porción del calor del fluido que está siendo bombeado a través de la cámara de sumidero intermedia. Los refrigerantes típicos tales como agua o aire son preferidos, sin embargo, está dentro de el alcance de la invención utilizar cualquier refrigerante líquido o de gas similar, suficiente para el propósito descrito anteriormente. Por consiguiente, una bomba (no mostrada) para bombear un refrigerante líquido desde una fuente de refrigerante líquido (tampoco mostrada) a través de la camisa 60 es incluida con el sistema de enfriamiento 55; o un ventilador (no mostrado) para hacer circular un refrigerante gaseoso a partir de una fuente de refrigerante gaseoso (tampoco mostrada) a través de la camisa 60 es incluido con el sistema de enfriamiento 55. También debe ser evidente para aquellos expertos en la técnica que la camisa de enfriamiento puede ser removida y el calor de las aletas de enfriamiento meramente se disipa hacia el alojamiento de bomba. Si más de dos secciones de bomba se utilizan, está dentro del alcance de la invención instalar sistemas de enfriamiento similares entre cualquiera o todas de estas secciones de bomba; y también está dentro del alcance de la presente invención instalar un sistema de enfriamiento similar cerca del puerto de descarga 14 para disipar el calor del fluido que está siendo descargado de la bomba. Además, está dentro del alcance de la invención proporcionar canales (no mostrados) dentro de las aletas 56, y en comunicación de fluido con la fuente de refrigerante, para facilitar el flujo del refrigerante a través de las aletas y de esta manera proporcionar un sistema de enfriamiento más directo y eficiente. Como se muestra en la Figura 1, un canal de derivación 66, que tiene una válvula de derivación 68, proporciona comunicación de fluido entre la cámara intermedia 54 y el puerto de descarga 14 durante el encendido de la bomba 10; y el canal de derivación 63, que tiene una válvula de derivación 65, proporciona comunicación de fluido entre el puerto de succión 12 y la cámara intermedia 54 durante el encendido de la bomba 10. Las bombas de cavidad progresiva utilizadas en aplicaciones de bombeo de fases múltiples típicamente son utilizadas para reducir las presiones de cabeza de pozo o satélite. Por lo tanto, cuando la bomba 10 es inicialmente encendida, puede ser encendida lentamente con la mayor parte del flujo de fluido derivado alrededor de la bomba, a través de los canales de derivación 63, 66. A medida que la velocidad del sistema de bomba se incrementa, más del fluido pasa a través de los elementos de bombeo y menos se deriva, dando como resultado presiones reducidas de la cabeza de pozo. Cuando el sistema de bombeo es bombeado a una velocidad que es igual al flujo reducido a partir de los pozos, entonces la presión de la cabeza de pozo es reducida y la producción incrementada del pozo típicamente será aumentada. El canal de derivación adicional 67, que tiene una válvula de derivación 69, provee comunicación de fluido entre la cámara intermedia 54 y el puerto de descarga 14; y un canal de derivación adicional 59, teniendo una válvula de derivación 61, provee comunicación del fluido entre puerto de succión 12 y la cámara intermedia 54, que también puede ser provisto. Los canales de derivación adicionales 59, 67 se instalan por abajo de ia línea central de la bomba, preferiblemente en la parte más baja del alojamiento. Estos canales de derivación 59, 67 son útiles en aplicaciones en donde la relación de gas a líquido del fluido es alta, del orden de 98% o más, y el gas es seco. Los canales de derivación 59, 67 pueden ser utilizados para recircular pequeñas cantidades del fluido con el fin asegurar una adecuada lubricación de las superficies de elastómero del estator 22, 34. Como se muestra en la Figura 2, los efectos deseados de utilizar una bomba de cavidad progresiva teniendo múltiples secciones de bomba en donde las capacidades de velocidad de volumen de flujo de las secciones de bomba se reducen con la distancia desde el puerto de succión (como se muestra en la Figura 1 y se describió anteriormente), pueden también ser presentados conectando una pluralidad de bombas de cavidad progresiva en serie. Una primera bomba de cavidad progresiva 70 operando a una velocidad de volumen de flujo de A, tienen un puerto de succión 72 y un puerto de descarga 74; una segunda bomba de cavidad progresiva 76 operando a una velocidad de volumen de flujo de B, tiene un puerto de succión 78 y un puerto de descarga 80; y una N bomba de cavidad progresiva 82 operando a una velocidad de volumen de flujo de X, tiene un puerto de succión 84 y un puerto de descarga 86. La velocidad de volumen de flujo B es menor que la velocidad del volumen de flujo A; y asimismo, la velocidad del volumen de flujo X es menor que la velocidad de volumen de flujo de B y también es menor que la velocidad del volumen de flujo de X-1. Se proveen sistemas de enfriamiento 88 entre las bombas para facilitar aún más la disipación de calor en el flúido/gas que se está bombeando. Como se muestra en la Figura 3, la presente invención también es útil en la aplicaciones en donde un grupo de bombas de cavidad progresiva 90 o ensambles de bomba, operando en paralelo y teniendo una velocidad de volumen de flujo total de a, que alimenta una bomba de cavidad progresiva individual 92 o ensamble de bomba, teniendo una velocidad de volumen de flujo de ß; en donde la velocidad de volumen de flujo ß es menor que ia velocidad de volumen de flujo de . Puede ser evidente para aquellos expertos en la técnica que la bomba individual o ensamble de bomba 92 también puede ser un grupo de bombas o ensambles de bomba operando en paralelo, y teniendo una velocidad de volumen de flujo total de ß. Asimismo, el grupo de bombas de cavidad progresiva o ensambles de bomba 90 puede ser una bomba individual teniendo una velocidad de volumen de flujo de .

EJEMPLOS En el Ejemplo I, una representación matemática de una bomba de cavidad progresiva de sección individual (no utilizando la presente invención) se presenta con el propósito de comparación; en el Ejemplo II, una representación matemática de una bomba de cavidad progresiva de triple sección de la presente invención se ilustra; y en el Ejemplo III, una representación matemática de una bomba de cavidad progresiva de triple sección de la presente invención utilizando un sistema de enfriamiento de la presente invención, es presentada. Con el fin de establecer los siguientes ejemplos, sin embargo, es benéfico primero describir la derivación de la teoría matemática utilizada en los tres primeros ejemplos.

TEORÍA MATEMÁTICA P?, T, = presión y temperatura de entrada de una bomba de cavidad progresiva. Po, T0 = presión y temperatura de salida de una bomba de cavidad progresiva. R = constante de gas universal. Vc = volumen de cavidad progresiva. Vx = volumen de irrupción a medida que una cavidad se abre en el extremo de presión o salida. C = capacidades térmicas del flúido/gas que se está bombeando. U,, U0 = energías internas del flúido/gas en la entrada y en la salida, respectivamente. Asumir que el flujo de escape a través de las líneas de sello es insignificante. A medida que cada cavidad progresa hacia el extremo de descarga (el extremo de presión) y se abre, existe una irrupción hacia atrás de fluido para igualar la presión de fluido de la cavidad con la presión de salida. Por lo tanto, la conservación de masa requiere que y la conservación de energía requiere que P_J_Y_CU + PoVxUo + w == PoVcU0 RT¡ RT0 RT0 (Ec. 3) en donde U¡ = CT, (Ec. 4) Uo = CT0 (Ec. 5) W = VXP0 (Ec. 6) W es el trabajo realizado por el gas en el extremo de compresión para empujar a Vx hacia la cavidad abierta. La ecuación (2) puede ser reducida a T0/T¡ = P0/P¡ (1 - Vx/Vc) (Ec. 7) La substitución de la ecuación (4), ecuación (5) y ecuación (6) a la ecuación (3) da a(Vc + bVx) + bVx = abVc (Ec. 8) en donde a = C/R, y b = P0/P¡- Resolviendo la ecuación (8) da Al derivar la ecuación (10), se han ignorado cuatro factores: (i) parte del calor de compresión gaseosa es conducido a través del fluido y también a través de las partes mecánicas; (ii) existe un tiempo finito para la resaca del fluido (mezcla de aceite/gas), y la línea de sello de cavidad se ha movido hacia adelante durante este momento. El valor de Vx es reducido; (iii) existe algo de fuga a lo largo de las líneas de sellado, y Vx se incrementa para representar la fuga; y (iv) la fricción y fricción viscosa contribuyen al calor desarrollado. Los factores (i) y (ii) tienden a reducir T0. Los factores (¡ii) y (iv) tienden a incrementar T0. Ya que los factores (i) y (ii) probablemente son los más dominantes, T0 según predicho por la ecuación (10), puede ser substancialmente mayor que la T0 realmente medida. La relación C/R es dada por la teoría cinética del gas, y depende solamente del número de átomos en una molécula de gas: No. de átomos C/R 1 1.5 2 2.5 3 o más 3.0. Por lo tanto, con base en el modelo matemático anterior, se puede presentar los siguientes ejemplos.

EJEMPLO 1 Control - Una Sección De Bomba De Cavidad Progresiva Una mezcla de aceite/gas que será bombeada es de 12.61 litros por segundo ("LPS") de gas y 0.6308 LPS de aceite. El examen de la composición de gas muestra que el 50% de la composición tiene dos átomos por molécula, mientras que el resto de la composición tiene tres o más átomos por molécula. La presión de succión y la temperatura son de P, = 3.515 Kg/cm2a y T, = 27°C, respectivamente. La presión de salida es P0 = 28.12 Kg/cm2a. La relación C/R es a = 2.5 x 0.5 + 3.0 x 0.5 = 2.75. Por lo tanto, la temperatura de salida T0, se calcula como: = (273 + 27) + 8 + 2.75 = 860°K = 587°C. 1 + 2.75 Potencia hidroeléctrica = 210 x 350/1714.3 = 42.9 H.P.

EJEMPLO 2 Tres Secciones De Bomba De Cavidad Progresiva En Cascada En este ejemplo, asumir que las temperaturas de entrada y de salida para la primera sección de bomba son T. y T2, respectivamente, y las presiones de entrada y salida de la primera sección de bomba son p. y p2, respectivamente. Asumir que las temperaturas de entrada y de salida para la segunda sección de bomba son T2 y T3, respectivamente (esto asume que la temperatura de salida de la primera sección de bomba es igual a la temperatura de entrada de la segunda sección de bomba), y presiones de entrada y de salida de la segunda sección de bomba son p2 y P3, respectivamente (esto asume que la presión de salida de la primera sección de bomba es igual a la presión de entrada de la segunda sección de bomba). Finalmente, Asumir que las temperaturas de entrada y de salida para la tercera sección de bomba son T3 y T4, respectivamente (esto asume que la temperatura de salida de la segunda sección de bomba es igual a la temperatura de entrada de la tercera sección de bomba), y las presiones de entrada y salida de la tercera sección de bomba son p3 y p4, respectivamente (esto asume que la presión de salida de la segunda sección de bomba es igual a la presión de entrada de la tercera sección de bomba). Por consiguiente: Primera sección p¡/p0 = P?/p2 = 3.515/7.03 Kg/cm2, Segunda sección p¡/p0 = P2/P3 = 7.03/14.06 Kg/cm2, Tercera sección p¡/p0 = p3/p = 14.06/28.12 Kg/cm2, 2 + 2.75 = 1.267 T. 1 + 2.75 T3/T. = 1.2672 = 1.605 T4/T. = 1.2673 = 2.034. Los volúmenes de gas siendo bombeado a través de las segunda y tercera etapa son respectivamente: 200 x 1.267 x 14 = 7.99 LPS 126.7 x 1.267 x % = 5.066 LPS Potencia hidroeléctrica = (210 x 50 + 136.7 x 100 + 90.3 x 200) / 1714.3 = 24.6 H.P. La temperatura final es T4 = 300 x 2.034 = 610°K = 337°C.

EJEMPLO 3 Se utilizaron aletas de enfriamiento y medios refrigerantes para disipar el 50% del calor de compresión en el Ejemplo 2. Otras condiciones permanecen sin cambio. T2/T. = 1/2(1 + 1.267) = 1.134 T3/T. = (1.134)2 = 1.286 T4/T. = (1.134)3 = 1.458.

Los volúmenes de gas siendo bombeado por las segunda y tercera etapas son, respectivamente: 200 x 1.134 x 14 = 7.154 LPS 113.4 x 1.134 X 14 = 4.056 LPS Potencia hidroeléctrica = (210 x 50 + 123.4 x 100 + 74.3 x 200) / 1714.3 = 22 H.P. La temperatura final = T4 = 300 x 1.458 = 437.4°K = 164.4°C. Los resultados se resumen en el siguiente cuadro: Bomba Disipación Te mperat ura T emperatura Motor de calor inicial final H.P. 1 -sección 0 27°C 587°C 53.6 3-sección 0 27°C 337°C 30.8 3-sección con si ¡st. 50% 27°C 164°C 27.5 de enfriam ient o En conclusión, la disipación de calor efectiva puede ser introducida fácilmente al diseño de bomba progresiva de secciones múltiples. Además, al ensamblar la bomba, se pueden introducir sistemas de enfriamiento entre las secciones de bomba de manera que calor en la mezcla de aceite/gas puede ser disipado a partir de la misma. También se observó que el enfriamiento efectivo reduce la potencia requerida del motor, substancialmente. Esta potencia eléctrica ahorrada puede ser utilizada para facilitar el flujo refrigerante líquido o forzado con aire en el alojamiento de bomba y/o aletas de enfriamiento. Habiendo descrito la invención con detalle haciendo referencia a los dibujos, será evidente que son posibles modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance de la invención según definido en las siguientes reivindicaciones.

Claims (27)

REIVINDICACIONES

1. Una bomba de cavidad progresiva que tiene un puerto de succión y un puerto de descarga, que comprende: Una primera sección de bomba capaz de operar a una primera velocidad de volumen de flujo, la primera sección de bomba incluyendo una entrada en comunicación de fluido con el puerto de succión, una salida, un rotor en la forma de un engranaje helicoidal con por lo menos una guía, y un estator que tiene un agujero interno en la forma de un engranaje helicoidal con más de una guía que el rotor de la primera sección de bomba; y una segunda sección de bomba capaz de operar a segunda velocidad de volumen de flujo, dicha segunda sección de bomba incluyendo una entrada en comunicación de fluido con la salida de la primera sección de bomba, una salida en comunicación de fluido con el puerto de descarga, un rotor en la forma de un engranaje helicoidal con por lo menos una guía, y un estator teniendo un agujero interno en la forma de un engranaje helicoidal con más de una guía que el rotor de la primera sección de bomba; la segunda velocidad de volumen de flujo siendo menor que la primera velocidad de volumen de flujo.

2. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende: Una cámara intermedia en comunicación de fluido con la salida de la primera sección de bomba y en comunicación de fluido con el puerto de la segunda sección de bomba.

3. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque comprende además un sistema de enfriamiento para enfriar el fluido en la cámara intermedia.

4. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el sistema de enfriamiento incluye componentes de transferencia de calor extendiéndose dentro de la cámara intermedia.

5. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 4, en donde los componentes de transferencia de calor incluyen aletas de enfriamiento y el sistema de enfriamiento además incluye medios para hacer fluir continuamente un refrigerante sobre una porción de las aletas de enfriamiento para disipar el calor absorbido del fluido por las aletas de enfriamiento.

6. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además un sistema de enfriamiento, incluyendo componentes de transferencia de calor extendiéndose dentro del puerto de descarga para enfriar los fluidos en el puerto de descarga.

7. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 6, en donde los componentes de transferencia de calor incluyen aletas de enfriamiento y el sistema de enfriamiento además incluye medios para hacer fluir continuamente un refrigerante sobre la porción de las aletas de enfriamiento para disipar el calor absorbido del fluido por las aletas de enfriamiento.

8. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de descarga; y una válvula para controlar el flujo de fluido y gases a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido entre la cámara intermedia y el puerto de descarga cuando la válvula se abre.

9. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de succión; y una válvula para controlar el flujo de fluido a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido entre la cámara intermedia y el puerto de succión cuando la válvula se abre.

10. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de descarga, el canal de derivación estando montado sobre la bomba por abajo de una línea central horizontal de la bomba; y una válvula para controlar el flujo de fluido a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido entre la cámara intermedia y el puerto de descarga cuando la válvula se abre.

11. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de succión, el canal de derivación estando montado sobre la bomba por abajo de una línea central horizontal de la bomba; y una válvula para controlar el flujo de fluido a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido entre la cámara intermedia y el puerto de succión cuando la válvula se abre.

12. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el rotor de la primera sección de bomba está acoplado al rotor de la segunda sección de bomba de manera que el rotor de la primera sección y el rotor de la segunda sección gira substancialmente a la misma velocidad.

13. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el rotor de la primera sección de bomba está colocado dentro del agujero interno del estator de la primera sección de bomba para formar una pluralidad de cavidades unidas por el rotor de la primera sección de bomba y el estator de la primera sección de bomba, dicha pluralidad de cavidades de la primera sección de bomba teniendo un primer volumen promedio; el rotor de la segunda sección de bomba está colocando dentro del agujero interno del estator de la segunda sección de bomba para formar una pluralidad de cavidades unidas por el rotor de la segunda sección de bomba y el estator de la segunda sección de bomba, la pluralidad de cavidades de la segunda sección de bomba teniendo un segundo volumen promedio; y el primer volumen promedio siendo mayor que el segundo volumen promedio.

14. Una bomba de cavidad progresiva que comprende: Un tubo de estator teniendo un puerto de succión y un puerto de descarga; y una pluralidad de secciones de bomba montadas longitudinalmente de extremo a extremo dentro del tubo de estator, cada una de las secciones de bomba capaz de operar a una velocidad de volumen de flujo, y cada una de las secciones de bomba incluyendo una entrada, una salida, un rotor en la forma de un engranaje helicoidal con por lo menos una guía, y un estator anular teniendo un agujero interno en la forma de un engranaje helicoidal con más de una guía que el rotor; una velocidad de volumen de flujo de una de las secciones de bomba más cercana al puerto de descarga siendo menor que la velocidad de volumen de flujo de una de las secciones de bomba más alejada del puerto de descarga.

15. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 14, en donde una velocidad de volumen de flujo de una de las secciones de bomba que está más cerca al puerto de descarga es menor que una velocidad de volumen de flujo de una de las secciones de bomba más cercana al puerto de succión.

16. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 14, en donde las velocidades de volumen de flujo se reducen con la distancia desde el puerto de succión.

17. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizada porque comprende además por lo menos una cámara intermedia dispuesta entre un par longitudinalmente adyacente de las secciones de bomba.

18. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizada además porque comprende un sistema de enfriamiento, que tiene por lo menos un componente de transferencia de calor extendiéndose dentro de la cámara intermedia.

19. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 18, en donde el componente de transferencia de calor es una aleta de enfriamiento, y el sistema de enfriamiento además incluye medios para hacer fluir continuamente un refrigerante sobre una porción de la aleta de enfriamiento para disipar el calor desde la aleta de enfriamiento.

20. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de descarga; y una válvula para controlar el flujo de fluido a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido alrededor de las secciones de bomba colocadas entre la cámara intermedia y el puerto de descarga cuando la válvula se abre.

21. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de succión; y una válvula para controlar el flujo de fluido a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido alrededor de las secciones de bomba colocadas entre la cámara intermedia y el puerto de succión cuando la válvula se abre.

22. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de descarga, el canal de derivación estando montado sobre la bomba por abajo de una línea central horizontal de la bomba; y una válvula para controlar el flujo de fluido a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido alrededor de las secciones de bomba colocadas entre la cámara intermedia y el puerto de descarga cuando la válvula se abre.

23. La bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizada porque comprende además: Un canal de derivación en comunicación de fluido con la cámara intermedia y el puerto de succión, el canal de derivación estando montado sobre la bomba por abajo de una línea central horizontal de la bomba; y una válvula para controlar el flujo de fluido a través del canal de derivación; en donde el canal de derivación proporciona una derivación de fluido alrededor de las secciones de bomba colocadas entre la cámara intermedia y el puerto de succión cuando la válvula se abre.

24. Una bomba de cavidad progresiva que comprende: Por lo menos dos bombas de cavidad progresiva acopladas conjuntamente en serie; cada una de las bombas operando a una velocidad de volumen de flujo, y teniendo un puerto de succión y un puerto de descarga; el puerto de descarga de una primera bomba en la serie estando en comunicación de fluido con el puerto de succión de una segunda bomba en serie; y la velocidad del volumen del flujo de la primera bomba siendo mayor que la velocidad del volumen de flujo de la segunda bomba.

25. El sistema de bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizada porque comprende además: un canal intermedio dispuesto entre el puerto de descarga de la primera bomba y el puerto de succión de la segunda bomba, para proporcionar comunicación de fluido entre el puerto de descarga de la primera bomba y el puerto de succión de la segunda bomba.

26. El sistema de bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 25, caracterizada porque comprende además un sistema de enfriamiento montado al canal intermedio para disipar el calor del fluido que entra al canal intermedio.

27. El sistema de bomba de cavidad progresiva de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizada porque comprende además: Por lo menos una tercera bomba de cavidad progresiva operando a una velocidad de volumen de flujo, y teniendo un puerto de succión y un puerto de descarga; el puerto de descarga de la tercera bomba estando en comunicación de fluido con el puerto de descarga de la primera bomba y en comunicación con el puerto de succión de la segunda bomba, de manera que las primera y tercera bombas están acopladas entre sí en paralelo; la capacidad de volumen del flujo de la segunda bomba siendo menor que una combinación de la capacidad de volumen de flujo de la primera bomba y la capacidad de volumen de flujo tercera bomba.