Uno de los aspectos más importantes del diseño de la instalación, es la selección del contrabalanceo necesario para reducir el tamañ o del motor principal y los requerimientos de torsión en el reductor de engranes.
En un sistema de bombeo mecánico, se requiere que el trabajo de la varilla pulida para elevar la columna de fluido, sea ejecutado únicamente durante la primera mitad del ciclo de la manivela, es decir, en la carrera ascendente. Si la unidad no estuviera contrabalanceada, el trabajo total requerido sería realizado por el motor principal durante la carrera ascendente, al estar elevando las varillas y el fluido, mientras que en la segunda mitad del ciclo, en la carrera descendente, el motor quedaría muerto conforme la fuerza de gravedad jala las varillas y el émbolo de la bomba hacia abajo, para regresarlos a su posición inicial.
Entonces, en una unidad no contrabalanceada, to do el trabajo útil del motor principal sería realizado durante la carrera ascendente y sería nulo en la carrera descendente. Se requeriría un motor principal y reductor de engranes relativamente grandes para producir fluidos en una forma eficiente.
A fin de reducir el tamaño del motor y del reductor de engranes, se colocan contrapesos en el sistema con un peso aproximadamente igual al peso de las varillas, más la mitad del peso del fluido. Durante la carrera ascendente, al elevar el peso combinado de varillas y fluido, el motor recibe ayuda del efecto de contrabalanceo, lo que resulta en una fuerza desbalanceada equivalente a la mitad de peso del fluido, que es el único peso que se requiere elevar. Lo anterior se calcula con la siguiente ecuación:
(2.4)
En la carrera descendente, el efecto de contrabalanceo se opone al regreso de las varillas flotando y nuevamente el resultado es una fuerza desbalanceada, equivalente a la mitad del peso del fluido. Esto se representa con la ecuación:
2
W
f2
W
fW
rW
fW
r(2.5)
Entonces, con el efecto de contrabalanceo se logra que los requerimientos de trabajo y de torsión, para el motor principal y el reductor de engranes respectivamente, sean aproximadamente iguales en la carrera ascendente y en la descendente.
En una unidad de bombeo mecánico no contrabalanceada, durante la carrera ascendente, el motor y el reductor de engranes deben manejar una carga en la varilla pulida, equivalente al peso de las varillas más el peso del fluido, por otra parte, en la unidad apropiadamente contrabalanceada, durante la carrera ascendente y la descendente, el motor y el reductor se enfrentan a una carga de únicamente la mitad del peso del fluido. Consecuentemente, la forma de lograr reducir el tamaño del motor y del reductor requeridos, es mediante el contrabalanceo de la unidad.
Desde el punto de vista mecánico, cuando la unidad eleva las varillas desde el fondo hasta la parte superior de la carrera, se entrega energía potencial al sistema. Cuando la fuerza de gravedad jala las varillas hacia abajo, la misma cantidad de energía potencial es cedida. Entonces, el trabajo mecánico que ejecutan las varillas en un ciclo completo de la manivela es de cero.
En la unidad no contrabalanceada, el motor realizará un trabajo relativamente duro en la carrera ascendente para elevar las varillas y el fluido, mientras que en la carrera descendente no hay forma de ayudar a almacenar energía potencial en el sistema.
En la unidad contrabalanceada el motor recibe ayuda durante la carrera ascendente por la caída de los contrapesos, cuando se está elevando la máxima carga de varillas y fluido. Durante la carrera descendente, la fuerza de gravedad que jala a las varillas, ayuda a que el motor principal eleve los contrapesos, por lo que se almacena energía potencial en el sistema.
A continuación se presenta un ejemplo para una unidad de bombeo cuando no está contrabalanceada y cuando sí lo está. Las fuerzas de fricción, flotación y dinámicas se desprecian. Wr = 10000 lbs Wf = 4000 lbs
2
W
fW
r2
W
fW
r lbs 12000 2 4000 10000 2 Wf Wr nceo ContrabalaUnidad no contrabalanceada
Carrera ascendente:
Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = fuerza desbalanceada (10000 + 4000) – (0) = 14000 lbs
Carrera descendente:
Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada (0) – (10000) = - 10000 lbs
Unidad contrabalanceada
Carrera ascendente:
Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = fuerza desbalanceada (10000 + 4000) – (12000) = 2000 lbs
Carrera descendente:
Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada (12000) – (10000) = 2000 lbs
El peso del contrabalanceo en efecto, almacena energía durante la carrera descendente cuando la demanda de potencia es baja y libera energía durante la carrera ascendente, efectuando parte del trabajo de elevación del fluido y varillas.
Para evitar una equivocada interpretación de terminología, es necesario diferenciar entre efecto de contrabalanceo, que es la contribución ne ta del sistema de contrabalanceo sobre la varilla pulida y contrabalanceo o contrapeso, que es el peso o sistema de pesos usado para obtener el efecto de contrabalanceo. El efecto de contrabalanceo está determinado por el peso real del contrapeso, por su p osición y por la geometría de la unidad superficial.
Un efecto de contrabalanceo puede obtenerse colocando los contrapesos en el balancín, en la biela o en la manivela. En algunos casos, particularmente en unidades grandes, el aire a presión se usa para obtener el efecto de contrabalanceo deseado.
Contrabalanceo de la Unidad de Bombeo Mecánico. Datos: Wr = 12000 lbs. Wf = 6000 lbs. Unidad no contrabalanceada Carrera ascendente:
Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada 12000 + 6000 – 0 = 18000 lbs.
Carrera descendente
Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = Fuerza desbalanceada 0 – 12000 = - 12000 lbs.
Unidad contrabalanceada Carrera ascendente
Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada (12000 + 6000) – 15000 = 3000 lbs.
Carrera Descendente
Contrabalanceo – Carga en la Carrera Descendente = Fuerza desbalanceada (15000) – 12000 = 3000 lbs. lbs 15000 2 6000 12000 2 Wf Wr nceo Contrabala