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Conceptos Clave: Módulo Bulk y Tiempo Crítico

¿Qué es el Módulo Bulk?

El módulo bulk (o módulo de compresibilidad volumétrica) es una propiedad física que mide la resistencia de un fluido a la compresión. Se expresa en Pascales (Pa) o Gigapascales (GPa).

Definición matemática:

K = -V × (dP/dV)

• K: módulo bulk
• V: volumen original
• dP: cambio de presión
• dV: cambio de volumen

Interpretación:

• Un valor alto de K indica que el fluido es poco compresible (más rígido).
• Un valor bajo de K indica que el fluido es más compresible (más flexible).

Ejemplo de valores típicos:

• Agua: 2.2 GPa
• Aceite hidráulico: 1.7 GPa
• Jarabe: ~2.2 GPa

Importancia en golpe de ariete: El módulo bulk afecta la velocidad de propagación de la onda de presión en la tubería. Un K alto genera transitorios más rápidos y sobrepresiones más severas.

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¿Qué es el Tiempo Crítico?

El tiempo crítico es el tiempo mínimo de cierre de una válvula para evitar la máxima sobrepresión por golpe de ariete.

Fórmula:

tc = 2L / a

• tc: tiempo crítico (segundos)
• L: longitud de la tubería (metros)
• a: velocidad de onda (m/s)

Interpretación:

• Si el cierre es más rápido que el tiempo crítico (t_cierre < tc), se produce la máxima sobrepresión.
• Si el cierre es más lento (t_cierre > tc), la sobrepresión se reduce proporcionalmente.

Ejemplo:

• Para una tubería de 300 m y velocidad de onda de 1200 m/s:
  • tc = 2 × 300 / 1200 = 0.5 s

Importancia práctica:

• El tiempo crítico ayuda a definir procedimientos seguros de cierre de válvulas y seleccionar sistemas de protección.
• Es fundamental para evitar daños por golpe de ariete en sistemas hidráulicos.

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¿Qué es la Sobrepresión Joukowsky?

La sobrepresión Joukowsky es la máxima sobrepresión teórica que puede ocurrir en un sistema hidráulico durante un golpe de ariete, calculada según la ecuación clásica de Nikolai Joukowsky.

Fórmula:

ΔP = ρ × a × V

• ΔP: sobrepresión Joukowsky (Pa)
• ρ: densidad del fluido (kg/m³)
• a: velocidad de onda (m/s)
• V: velocidad del fluido (m/s)

Características:

• Representa el caso más severo posible
• Se produce cuando el cierre es instantáneo o muy rápido
• Es un valor teórico máximo que raramente se alcanza en la realidad
• No considera factores de atenuación del sistema

Ejemplo de cálculo:

# Para jarabe con densidad 1300 kg/m³, velocidad onda 1200 m/s, velocidad fluido 0.1 m/s
ΔP_joukowsky = 1300 × 1200 × 0.1 = 156,000 Pa = 1.56 bar

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¿Qué es la Sobrepresión Real?

La sobrepresión real es la sobrepresión que efectivamente se produce en el sistema, considerando todos los factores que reducen la sobrepresión teórica.

Fórmula:

ΔP_real = ΔP_joukowsky × Factor_total

Donde:

Factor_total = Factor_tiempo × Factor_damper

Factor de tiempo:

• Si t_cierre ≤ t_crítico: Factor = 1.0 (sin reducción)
• Si t_cierre > t_crítico: Factor = t_crítico / t_cierre (reducción proporcional)

Factor de damper (si está instalado):

• Considera la compresibilidad adicional del gas
• Depende de la posición y dimensiones del damper
• Puede reducir significativamente la sobrepresión

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Diferencias Clave

Aspecto	Sobrepresión Joukowsky	Sobrepresión Real
Naturaleza	Teórica máxima	Práctica real
Factores	Solo ρ, a, V	Incluye tiempo y protecciones
Uso	Referencia y diseño	Operación real
Valor	Siempre mayor	Menor o igual

Ejemplos comparativos:

# Sistema típico de jarabe:
Joukowsky: 2.5 bar (teórico máximo)

# Con cierre lento (t=2s, tc=0.5s):
Factor_tiempo = 0.5/2.0 = 0.25
Real_sin_damper: 2.5 × 0.25 = 0.625 bar

# Con damper hidropneumático adicional:
Factor_damper = 0.7 (30% de eficiencia)
Real_con_damper: 0.625 × 0.7 = 0.44 bar

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Importancia en el Diseño

Sobrepresión Joukowsky:

• Define el peor escenario posible
• Establece límites máximos para componentes
• Determina necesidad de protecciones

Sobrepresión Real:

• Evalúa condiciones operacionales reales
• Valida efectividad de protecciones
• Optimiza procedimientos de operación

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Relación entre ambos conceptos

Relación entre todos los conceptos

El módulo bulk determina la velocidad de onda (a), que a su vez afecta el tiempo crítico (tc) y la sobrepresión Joukowsky. Todos estos parámetros interactúan para determinar la sobrepresión real que experimenta el sistema.

Cadena de cálculo:

Módulo Bulk (K) → Velocidad de Onda (a) → Tiempo Crítico (tc) 
                ↓
Sobrepresión Joukowsky (ΔP_j) → Sobrepresión Real (ΔP_real)

Estos parámetros son esenciales para el análisis y diseño seguro de sistemas hidráulicos sujetos a transitorios.

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Interpretación de Resultados TSNET vs Joukowsky

⚠️ Punto Crítico: Presión Absoluta vs Sobrepresión

Cuando veas que TSNET muestra 25 bar mientras la sobrepresión Joukowsky es 18 bar, esto es NORMAL y se debe a que miden cosas diferentes:

TSNET (Evolución de Presiones):

• Muestra presión absoluta total en el sistema
• Incluye presión base + sobrepresión transitoria
• Ejemplo: P_total = P₀ + ΔP = 7 bar + 18 bar = 25 bar

Sobrepresión Joukowsky:

• Muestra solo el incremento de presión debido al transitorio
• No incluye la presión base del sistema
• Ejemplo: ΔP_joukowsky = 18 bar (solo el incremento)

Cómo Interpretar Correctamente:

# En tu código del simulador:
P0 = 7.0 bar                    # Presión base de la bomba
delta_P_joukowsky = 18.0 bar    # Sobrepresión por transitorio
P_transitorio = P0 + delta_P_joukowsky  # = 25 bar (lo que ve TSNET)

Gráfico de Presiones TSNET:

Presión (bar)
     │
 25 ─┤ ← Pico máximo (Presión base + Sobrepresión)
     │   
 18 ─┤ ← Sobrepresión Joukowsky (incremento)
     │   
  7 ─┤ ← Presión base de operación (P₀)
     │   
  0 ─┴─────────────── Tiempo (s)

Lo que cada valor significa:

• 7 bar: Presión normal de operación de tu bomba
• 18 bar: Sobrepresión adicional por golpe de ariete
• 25 bar: Presión total máxima que experimenta el sistema

Para validar que está correcto:

✅ P_total_máxima = P_base + ΔP_joukowsky
✅ 25 bar = 7 bar + 18 bar ← ¡Correcto!

Puntos importantes:

1. La tubería experimenta 25 bar total, no solo 18 bar
2. Los componentes deben resistir 25 bar, no solo la sobrepresión
3. Las válvulas de alivio deben configurarse considerando la presión total
4. El análisis de seguridad debe usar la presión absoluta máxima

En términos de seguridad:

# Si tu sistema está diseñado para 10 bar:
P_diseño = 10 bar
P_máxima_real = 25 bar
Factor_seguridad = P_diseño / P_máxima_real = 10/25 = 0.4  # ¡PELIGROSO!

# Necesitas componentes para al menos:
P_diseño_requerida = 25 bar × 1.5 = 37.5 bar  # Con factor de seguridad

⚠️ Corrección del Error en el Simulador

Problema detectado:

La función generar_datos_hibridos_tsnet() estaba usando la sobrepresión Joukowsky teórica en lugar de la sobrepresión real para generar los gráficos.

Error original:

# INCORRECTO: Usaba delta_P_joukowsky sin factores de reducción
P_transitorio = P0 + delta_P_joukowsky * (1 - factor_cierre)
# Resultado: 7 + 18 = 25 bar (incorrecto)

Corrección aplicada:

# CORRECTO: Usa delta_P_real que ya incluye factores de reducción
delta_P_real = self.resultados["sobrepresion_real"]  # 4.74 bar
P_transitorio = P0 + delta_P_real * (1 - factor_cierre)
# Resultado: 7 + 4.74 = 11.74 bar (correcto)

Ahora la gráfica TSNET mostrará:

• Presión máxima real: 11.74 bar ✅
• Presión base: 7 bar
• Sobrepresión efectiva: 4.74 bar

Factores ya incluidos en la sobrepresión real:

1. Factor de tiempo: Reducción por cierre lento
2. Factor de damper: Reducción por protección hidropneumática
3. Eficiencia de posición: Ubicación óptima del damper

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Interpretación de Resultados TSNET vs Joukowsky

✅ Ahora es correcto: TSNET muestra ~11.74 bar

TSNET (Evolución de Presiones Corregida):

• Muestra presión absoluta real en el sistema
• Incluye presión base + sobrepresión real (con factores)
• Ejemplo: P_total = P₀ + ΔP_real = 7 bar + 4.74 bar = 11.74 bar

Sobrepresión Joukowsky:

• Sigue mostrando el incremento teórico máximo
• No incluye factores de reducción
• Ejemplo: ΔP_joukowsky = 18 bar (solo referencia teórica)

Cómo Interpretar Correctamente:

# Valores corregidos en el simulador:
P0 = 7.0 bar                    # Presión base de la bomba
delta_P_joukowsky = 18.0 bar    # Sobrepresión teórica (referencia)
delta_P_real = 4.74 bar         # Sobrepresión real (con factores)
P_transitorio = P0 + delta_P_real  # = 11.74 bar (lo que ve TSNET)

Gráfico de Presiones TSNET Corregido:

Presión (bar)
     │
11.74─┤ ← Pico máximo REAL (Presión base + Sobrepresión real) ✅
     │   
  7 ─┤ ← Presión base de operación (P₀)
     │   
  4.74─┤ ← Sobrepresión real (solo el incremento)
     │   
  0 ─┴─────────────── Tiempo (s)

Lo que cada valor significa:

• 7 bar: Presión normal de operación de tu bomba
• 4.74 bar: Sobrepresión real considerando factores de reducción
• 11.74 bar: Presión total máxima real que experimenta el sistema
• 18 bar: Sobrepresión teórica Joukowsky (solo para diseño/referencia)

Para validar que está correcto:

✅ P_total_real = P_base + ΔP_real
✅ 11.74 bar = 7 bar + 4.74 bar ← ¡Ahora correcto!

En términos de seguridad:

# Los componentes deben resistir la presión real:
P_diseño_requerida = 11.74 bar × 1.5 = 17.6 bar  # Con factor de seguridad
# En lugar de los 37.5 bar que calculamos antes con el error

Conclusión: Ahora el simulador muestra la presión real que experimenta el sistema, no la teórica máxima.

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Parámetros del Damper Hidropneumático

Comprensión del Sistema Damper

Un damper hidropneumático es un acumulador de presión que contiene gas comprimido (normalmente N₂) separado del fluido por una membrana o pistón. Su función es absorber las sobrepresiones del golpe de ariete mediante la compresión del gas.

📊 Parámetros Explicados

1. Volumen Total (50 L)

• Qué es: Capacidad total física del tanque damper
• Incluye: Espacio para gas + espacio para fluido
• Analogía: Como el tamaño de una botella

2. Volumen Gas N₂ (30 L) ⭐ Tu pregunta clave

• Qué es: Volumen de gas a la presión de precarga (4 bar)
• Importante: Es el volumen inicial del gas, no el operacional
• Relación: Volumen líquido = 50L - 30L = 20L (aproximado)

3. Presión de Precarga (4 bar)

• Qué es: Presión del gas N₂ antes de conectar al sistema
• Cuándo: Durante la fabricación/mantenimiento del damper
• Estado: Sistema sin presión hidráulica

4. Posición en tubería (280 m)

• Qué es: Distancia desde el inicio donde se instala el damper
• Efecto: Afecta la presión hidrostática local
• Cálculo presión local: P_local = P_bomba + ρgh (si hay diferencia de altura)

🔧 Cálculo Real en Tu Sistema

Tu observación es CORRECTA: A 280m, el damper no está a 4 bar, sino a ~6-7 bar.

# Estado inicial (damper desconectado):
V_gas_inicial = 30 L
P_precarga = 4 bar

# Al conectar al sistema en operación:
P_operacion = 7 bar  # Presión del sistema en esa posición

📐 Aplicación de la Ley de Boyle

El código usa correctamente la Ley de Boyle (proceso isotérmico):

# P₀ × V₀ = P₁ × V₁
# 4 bar × 30 L = 7 bar × V_nuevo

V_efectivo = (30 L × 4 bar) / 7 bar = 17.14 L

💡 Lo que realmente sucede:

1. Estado fabricación: 30L de N₂ a 4 bar
2. Al conectar: El sistema presuriza el damper a 7 bar
3. Gas comprimido: Se reduce a ~17L efectivos
4. Espacio disponible: ~17L para absorber sobrepresiones

📈 Durante el Golpe de Ariete:

Presión normal: 7 bar → Gas: 17.14 L
Presión pico: 11.74 bar → Gas: (4×30)/11.74 = 10.22 L
Volumen absorbido: 17.14 - 10.22 = 6.92 L

🎯 Efectividad del Damper:

# Factores que influyen en la efectividad:
# 1. Volumen efectivo disponible
V_efectivo = (V_gas_precarga × P_precarga) / P_operacion

# 2. Compresibilidad relativa
Compresibilidad = V_efectivo / (V_tuberia × K_fluido)

# 3. Posición en la tubería
Eficiencia_posicion = f(distancia_desde_valvula)

⚠️ Consideraciones de Diseño:

1. Presión de precarga: Debe ser ~60-80% de la presión operacional
2. Volumen gas: Debe ser suficiente para el rango operacional esperado
3. Posición: Cerca de la válvula es más efectivo (90% de L es óptimo)
4. Volumen total: Debe acomodar el gas comprimido + fluido desplazado

🔍 En tu configuración actual:

Volumen total: 50 L
Volumen gas (a 4 bar): 30 L
Presión operación: 7 bar
→ Gas efectivo: 17.14 L
→ Espacio líquido: ~33 L disponibles
→ Capacidad absorción: Buena para sobrepresiones moderadas

📝 Recomendación:

Tu configuración actual es adecuada para el sistema. El damper puede absorber efectivamente las sobrepresiones porque:

• Tiene volumen suficiente
• La precarga es apropiada (4 bar vs 7 bar operacional)
• La posición es buena (280m de 300m total)

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⚠️ Redundancia en Parámetros del Damper

🎯 Tu observación es CORRECTA

Efectivamente hay redundancia en la parametrización actual del damper. Analicemos:

Parámetros actuales (redundantes):

"damper_volumen": 50.0,        # Volumen total del tanque (L)
"damper_volumen_gas": 30.0,    # Volumen gas a presión precarga (L)
"damper_presion_precarga": 4.0 # Presión de precarga (bar)

🔧 ¿Qué determina realmente la capacidad?

Solo necesitamos 2 parámetros, no 3:

Opción A - Enfoque por volumen total:

"damper_volumen_total": 50.0,      # Volumen físico del tanque
"damper_presion_precarga": 4.0,    # Presión inicial del gas
# El volumen de gas se calcula automáticamente según el diseño

Opción B - Enfoque por volumen gas efectivo:

"damper_volumen_gas": 30.0,        # Volumen gas a presión precarga
"damper_presion_precarga": 4.0,    # Presión inicial del gas
# El volumen total se infiere como mayor al gas

💡 En la realidad industrial:

Los fabricantes especifican el damper como:

• Volumen total: 50 L (capacidad física del tanque)
• Presión de precarga: 4 bar (carga inicial de N₂)
• Volumen gas: Se calcula según el % de llenado recomendado (~60-80% del total)

📊 Relación real:

# En un damper real:
V_total = 50 L                    # Capacidad física
P_precarga = 4 bar               # Carga inicial N₂
V_gas_inicial = V_total × 0.6    # ~30 L (60% típico)
V_fluido_max = V_total - V_gas_min # Espacio para fluido

🔄 Propuesta de simplificación:

Configuración simplificada:

# Parámetros esenciales:
"damper_volumen_total": 50.0,      # Volumen físico real (L)
"damper_presion_precarga": 4.0,    # Presión inicial N₂ (bar)
"damper_factor_gas": 0.6,          # % del volumen ocupado por gas (0-1)
"damper_posicion": 280.0,          # Posición en tubería (m)

# Calculados automáticamente:
V_gas_precarga = V_total × factor_gas
V_efectivo = (V_gas_precarga × P_precarga) / P_operacion

✅ Ventajas de la simplificación:

1. Menos confusión: Solo parámetros físicos reales
2. Más realista: Coincide con especificaciones de fabricantes
3. Menos errores: No se pueden introducir valores inconsistentes
4. Más flexible: El factor_gas puede ajustarse según aplicación

🎛️ Implementación sugerida:

def calcular_damper_simplificado(self):
    V_total = self.params["damper_volumen_total"].get()  # 50 L
    P_precarga = self.params["damper_presion_precarga"].get()  # 4 bar
    factor_gas = self.params["damper_factor_gas"].get()  # 0.6
    P_operacion = self.params["presion_bomba"].get()  # 7 bar
    
    # Cálculos derivados:
    V_gas_precarga = V_total * factor_gas  # 30 L
    V_gas_efectivo = (V_gas_precarga * P_precarga) / P_operacion  # 17.14 L
    V_fluido_disponible = V_total - V_gas_efectivo  # 32.86 L
    
    return V_gas_efectivo

📋 Recomendación:

Mantener solo:

• damper_volumen_total (parámetro físico real)
• damper_presion_precarga (especificación técnica)
• damper_factor_gas (configuración de diseño)

Eliminar:

• damper_volumen_gas (se calcula automáticamente)

Esto haría el simulador más intuitivo y alineado con las especificaciones reales de equipos industriales.

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✅ Mejora Implementada: Porcentaje de Gas

🎯 Cambio aplicado al simulador:

Parámetro eliminado (redundante):

"damper_volumen_gas": 30.0  # ❌ Eliminado

Parámetro nuevo (más intuitivo):

"damper_porcentaje_gas": 60.0  # ✅ Implementado

🔧 Cálculo automático:

# Ahora el simulador calcula automáticamente:
V_total = 50 L                        # Volumen físico del tanque
porcentaje_gas = 60%                  # Parámetro configurable
V_gas_precarga = 50 L × 0.60 = 30 L   # Calculado automáticamente

💡 Ventajas de usar porcentaje:

1. Más intuitivo: "60% de gas" es más claro que "30 L de gas"
2. Escalable: Funciona para cualquier tamaño de damper
3. Profesional: Coincide con especificaciones técnicas reales
4. Configurable: Fácil ajustar según el tipo de aplicación

📊 Rangos típicos del porcentaje de gas:

# Aplicaciones típicas:
- Sistemas de agua: 50-70% gas
- Sistemas de alta presión: 60-80% gas  
- Sistemas críticos: 70-90% gas
- Tu jarabe: 60% gas (óptimo)

🎛️ Configuración del simulador:

Parámetros finales del damper:

• damper_volumen: 50.0 L (volumen total físico)
• damper_presion_precarga: 4.0 bar (carga inicial N₂)
• damper_porcentaje_gas: 60.0% (configurable 40-90%)
• damper_posicion: 280.0 m (ubicación en tubería)

Valores calculados automáticamente:

• Volumen gas inicial: 30.0 L
• Volumen gas efectivo: 17.14 L (a presión operacional)
• Volumen disponible para fluido: 32.86 L

✅ Resultado:

El simulador ahora es más profesional y menos propenso a errores de configuración, eliminando la redundancia que identificaste correctamente.

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🆕 Nuevos Parámetros Agregados al Simulador

🌡️ Temperatura del Fluido

Parámetro agregado:

"temperatura_fluido": 20.0  # °C (configurable -10 a 80°C)

Importancia:

• Viscosidad: Afecta las pérdidas de carga y comportamiento del flujo
• Densidad: Pequeñas variaciones con la temperatura
• Módulo bulk: Ligeras variaciones según temperatura (para cálculos avanzados)
• Operación: Importante para sistemas de procesamiento de alimentos

📊 Combo de Módulo Bulk Predefinido

Valores predefinidos disponibles:

valores_bulk = {
    "Agua (20°C)": 2.2 GPa,
    "Jarabe concentrado": 2.2 GPa,
    "Aceite hidráulico": 1.7 GPa,
    "Glicerina": 4.5 GPa,
    "Alcohol etílico": 1.0 GPa,
    "Gasolina": 1.3 GPa,
    "Leche": 2.0 GPa,
    "Personalizado": entrada manual
}

Ventajas:

• Más rápido: Selección directa de fluidos comunes
• Menos errores: Valores técnicamente correctos
• Educativo: Muestra la variación entre fluidos
• Flexible: Opción personalizada para casos especiales

🔧 Parámetros de Material Visible

Ahora se muestran:

Rugosidad de tubería:

"rugosidad": 1.5e-6 m  # Configurable 0.001-0.5 mm

Valores típicos:

• Acero inoxidable nuevo: 0.002 mm
• Acero comercial: 0.045 mm
• Hierro galvanizado: 0.15 mm
• PVC: 0.0015 mm

Módulo de Young:

"modulo_young": 200e9 Pa  # Configurable 150-250 GPa

Valores típicos:

• Acero: 200 GPa
• Acero inoxidable: 195 GPa
• Hierro fundido: 170 GPa
• PVC: 3 GPa

🎯 Beneficios de los nuevos parámetros:

1. Mayor precisión: Cálculos más exactos considerando material real
2. Más educativo: Visualiza cómo afectan los diferentes materiales
3. Práctico: Combos para selección rápida de valores comunes
4. Profesional: Interfaz más completa y realista

📋 Configuración mejorada:

Sección FLUIDO:

• Densidad (configurable)
• Temperatura (nuevo)
• Módulo bulk (combo predefinido)

Sección TUBERÍA (nueva):

• Rugosidad (ahora visible)
• Módulo Young (ahora visible)

Resultado: El simulador ahora permite configurar todos los parámetros importantes que afectan el golpe de ariete, con una interfaz más intuitiva y educativa.