Valutazione economica e funzionale dell'applicazione di un motore asincrono e di un motore coppia ad un estrusore di materie plastiche

Il concetto di “direct drive”, cioè l’applicazione diretta del motore all’utilizzatore, in modo da eliminare elementi di connessione intermedi (riduttori, pulegge, ecc…) con il vantaggio di migliorare il rendimento, ridurre gli ingombri, semplificare l’intera struttura, ridurre la manutenzione, è applicato con sempre maggior frequenza. L’azienda Graham Packaging Company Italia s.r.l. produce macchinari industriali per la produzione di packaging plastico, i quali montano un gruppo di estrusione a monte della macchina che alimenta il gruppo di soffiaggio: si possono, quindi, intuire alcuni vantaggi derivanti dall’applicazione del “direct drive”. Nella soluzione attualmente adottata dall’azienda la vite di estrusione, che gira a velocità relativamente basse, è collegata tramite un riduttore ad un motore asincrono trifase, che ruota a velocità significativamente superiori. L’ipotesi di una soluzione differente prevederebbe l’accoppiamento della vite ad un motore coppia (torque motor) caratterizzato da una elevata coppia e giri relativamente bassi. I vantaggi di tale accoppiamento sarebbero fondamentalmente il risparmio energetico derivante dall’esclusione del riduttore dal meccanismo e la maggiore facilità di regolazione della velocità e di conseguenza anche della portata dell’estrusore. La tesi ha lo scopo di analizzare nel particolare l’attuale situazione dal punto di vista del consumo energetico delle 11 taglie di estrusori, di valutare una soluzione con motore coppia consultando diversi fornitori di motori, di comparare le due varianti dal punto di vista dell’efficienza e dei vantaggi economici.

Analisi sperimentale e modellazione della conducibilità termica in materiali per la protezione passiva da incendio esterno

Numerosi incidenti verificatisi negli ultimi dieci anni in campo chimico e petrolchimico sono dovuti all’innesco di sostanze infiammabili rilasciate accidentalmente: per questo motivo gli scenari incidentali legati ad incendi esterni rivestono oggigiorno un interesse crescente, in particolar modo nell’industria di processo, in quanto possono essere causa di ingenti danni sia ai lavoratori ed alla popolazione, sia alle strutture. Gli incendi, come mostrato da alcuni studi, sono uno dei più frequenti scenari incidentali nell’industria di processo, secondi solo alla perdita di contenimento di sostanze pericolose. Questi eventi primari possono, a loro volta, determinare eventi secondari, con conseguenze catastrofiche dovute alla propagazione delle fiamme ad apparecchiature e tubazioni non direttamente coinvolte nell’incidente primario; tale fenomeno prende il nome di effetto domino. La necessità di ridurre le probabilità di effetto domino rende la mitigazione delle conseguenze un aspetto fondamentale nella progettazione dell’impianto. A questo scopo si impiegano i materiali per la protezione passiva da fuoco (Passive Fire Protection o PFP); essi sono sistemi isolanti impiegati per proteggere efficacemente apparecchiature e tubazioni industriali da scenari di incendio esterno. L’applicazione dei materiali per PFP limita l’incremento di temperatura degli elementi protetti; questo scopo viene raggiunto tramite l’impiego di differenti tipologie di prodotti e materiali. Tuttavia l’applicazione dei suddetti materiali fireproofing non può prescindere da una caratterizzazione delle proprietà termiche, in particolar modo della conducibilità termica, in condizioni che simulino l’esposizione a fuoco. Nel presente elaborato di tesi si è scelto di analizzare tre materiali coibenti, tutti appartenenti, pur con diversità di composizione e struttura, alla classe dei materiali inorganici fibrosi: Fibercon Silica Needled Blanket 1200, Pyrogel®XT, Rockwool Marine Firebatt 100. I tre materiali sono costituiti da una fase solida inorganica, differente per ciascuno di essi e da una fase gassosa, preponderante come frazione volumetrica. I materiali inorganici fibrosi rivestono una notevole importanza rispetto ad altri materiali fireproofing in quanto possono resistere a temperature estremamente elevate, talvolta superiori a 1000 °C, senza particolari modifiche chimico-fisiche. Questo vantaggio, unito alla versatilità ed alla semplicità di applicazione, li rende leader a livello europeo nei materiali isolanti, con una fetta di mercato pari circa al 60%. Nonostante l’impiego dei suddetti materiali sia ormai una realtà consolidata nell’industria di processo, allo stato attuale sono disponibili pochi studi relativi alle loro proprietà termiche, in particolare in condizioni di fuoco. L’analisi sperimentale svolta ha consentito di identificare e modellare il comportamento termico di tali materiali in caso di esposizione a fuoco, impiegando nei test, a pressione atmosferica, un campo di temperatura compreso tra 20°C e 700°C, di interesse per applicazioni fireproofing. Per lo studio delle caratteristiche e la valutazione delle proprietà termiche dei tre materiali è stata impiegata principalmente la tecnica Transient Plane Source (TPS), che ha consentito la determinazione non solo della conducibilità termica, ma anche della diffusività termica e della capacità termica volumetrica, seppure con un grado di accuratezza inferiore. I test sono stati svolti su scala di laboratorio, creando un set-up sperimentale che integrasse opportunamente lo strumento Hot Disk Thermal Constants Analyzer TPS 1500 con una fornace a camera ed un sistema di acquisizione dati. Sono state realizzate alcune prove preliminari a temperatura ambiente sui tre materiali in esame, per individuare i parametri operativi (dimensione sensori, tempi di acquisizione, etc.) maggiormente idonei alla misura della conducibilità termica. Le informazioni acquisite sono state utilizzate per lo sviluppo di adeguati protocolli sperimentali e per effettuare prove ad alta temperatura. Ulteriori significative informazioni circa la morfologia, la porosità e la densità dei tre materiali sono state ottenute attraverso stereo-microscopia e picnometria a liquido. La porosità, o grado di vuoto, assume nei tre materiali un ruolo fondamentale, in quanto presenta valori compresi tra 85% e 95%, mentre la frazione solida ne costituisce la restante parte. Inoltre i risultati sperimentali hanno consentito di valutare, con prove a temperatura ambiente, l’isotropia rispetto alla trasmissione del calore per la classe di materiali coibenti analizzati, l’effetto della temperatura e della variazione del grado di vuoto (nel caso di materiali che durante l’applicazione possano essere soggetti a fenomeni di “schiacciamento”, ovvero riduzione del grado di vuoto) sulla conducibilità termica effettiva dei tre materiali analizzati. Analoghi risultati, seppure con grado di accuratezza lievemente inferiore, sono stati ottenuti per la diffusività termica e la capacità termica volumetrica. Poiché è nota la densità apparente di ciascun materiale si è scelto di calcolarne anche il calore specifico in funzione della temperatura, di cui si è proposto una correlazione empirica. I risultati sperimentali, concordi per i tre materiali in esame, hanno mostrato un incremento della conducibilità termica con la temperatura, da valori largamente inferiori a 0,1 W/(m∙K) a temperatura ambiente, fino a 0,3÷0,4 W/(m∙K) a 700°C. La sostanziale similitudine delle proprietà termiche tra i tre materiali, appartenenti alla medesima categoria di materiali isolanti, è stata riscontrata anche per la diffusività termica, la capacità termica volumetrica ed il calore specifico. Queste considerazioni hanno giustificato l’applicazione a tutti i tre materiali in esame dei medesimi modelli per descrivere la conducibilità termica effettiva, ritenuta, tra le proprietà fisiche determinate sperimentalmente, la più significativa nel caso di esposizione a fuoco. Lo sviluppo di un modello per la conducibilità termica effettiva si è reso necessario in quanto i risultati sperimentali ottenuti tramite la tecnica Transient Plane Source non forniscono alcuna informazione sui contributi offerti da ciascun meccanismo di scambio termico al termine complessivo e, pertanto, non consentono una facile generalizzazione della proprietà in funzione delle condizioni di impiego del materiale. La conducibilità termica dei materiali coibenti fibrosi e in generale dei materiali bi-fasici tiene infatti conto in un unico valore di vari contributi dipendenti dai diversi meccanismi di scambio termico presenti: conduzione nella fase gassosa e nel solido, irraggiamento nelle superfici delle cavità del solido e, talvolta, convezione; inoltre essa dipende fortemente dalla temperatura e dalla porosità. Pertanto, a partire dal confronto con i risultati sperimentali, tra cui densità e grado di vuoto, l’obiettivo centrale della seconda fase del progetto è stata la scelta, tra i numerosi modelli a disposizione in letteratura per materiali bi-fasici, di cui si è presentata una rassegna, dei più adatti a descrivere la conducibilità termica effettiva nei materiali in esame e nell’intervallo di temperatura di interesse, fornendo al contempo un significato fisico ai contributi apportati al termine complessivo. Inizialmente la scelta è ricaduta su cinque modelli, chiamati comunemente “modelli strutturali di base” (Serie, Parallelo, Maxwell-Eucken 1, Maxwell-Eucken 2, Effective Medium Theory) [1] per la loro semplicità e versatilità di applicazione. Tali modelli, puramente teorici, hanno mostrato al raffronto con i risultati sperimentali numerosi limiti, in particolar modo nella previsione del termine di irraggiamento, ovvero per temperature superiori a 400°C. Pertanto si è deciso di adottare un approccio semi-empirico: è stato applicato il modello di Krischer [2], ovvero una media pesata su un parametro empirico (f, da determinare) dei modelli Serie e Parallelo, precedentemente applicati. Anch’esso si è rivelato non idoneo alla descrizione dei materiali isolanti fibrosi in esame, per ragioni analoghe. Cercando di impiegare modelli caratterizzati da forte fondamento fisico e grado di complessità limitato, la scelta è caduta sui due recenti modelli, proposti rispettivamente da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos [3] e Daryabeigi, Cunnington, Knutson [4] [5]. Entrambi presentavano il vantaggio di essere stati utilizzati con successo per materiali isolanti fibrosi. Inizialmente i due modelli sono stati applicati con i valori dei parametri e le correlazioni proposte dagli Autori. Visti gli incoraggianti risultati, a questo primo approccio è seguita l’ottimizzazione dei parametri e l’applicazione di correlazioni maggiormente idonee ai materiali in esame, che ha mostrato l’efficacia dei modelli proposti da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos e Daryabeigi, Cunnington, Knutson per i tre materiali analizzati. Pertanto l’obiettivo finale del lavoro è stato raggiunto con successo in quanto sono stati applicati modelli di conducibilità termica con forte fondamento fisico e grado di complessità limitato che, con buon accordo ai risultati sperimentali ottenuti, consentono di ricavare equazioni predittive per la stima del comportamento, durante l’esposizione a fuoco, dei materiali fireproofing in esame. Bologna, Luglio 2013 Riferimenti bibliografici: [1] Wang J., Carson J.K., North M.F., Cleland D.J., A new approach to modelling the effective thermal conductivity of heterogeneous materials. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 3075-3083. [2] Krischer O., Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik (The Scientific Fundamentals of Drying Technology), Springer-Verlag, Berlino, 1963. [3] Karamanos A., Papadopoulos A., Anastasellos D., Heat Transfer phenomena in fibrous insulating materials. (2004) Geolan.gr http://www.geolan.gr/sappek/docs/publications/article_6.pdf Ultimo accesso: 1 Luglio 2013. [4] Daryabeigi K., Cunnington G. R., and Knutson J. R., Combined Heat Transfer in High-Porosity High-Temperature Fibrous Insulation: Theory and Experimental Validation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer 25 (2011) 536-546. [5] Daryabeigi K., Cunnington G.R., Knutson J.R., Heat Transfer Modeling for Rigid High-Temperature Fibrous Insulation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. AIAA Early Edition/1 (2012).

Valutazione sperimentale della resistenza a fatica di elementi albero-mozzo accoppiati per interferenza

Esposizione dell’attività di laboratorio basata sullo svolgimento di prove sperimentali di resistenza a fatica su accoppiamenti albero-mozzo realizzati mediante calettamento forzato con riscaldamento in forno del mozzo, con l’obiettivo di determinare l’influenza di tale tipo di accoppiamento sulla vita a fatica del componente. Gli accoppiamenti albero – mozzo, anche detti collegamenti forzati, sono collegamenti fissi o semi–permanenti utilizzati per unire due organi tra loro che permettono di trasmettere elevate forze tangenziali anche con interferenze non elevate, realizzando un’unione sicura, quanto quella ottenibile con linguetta o chiavetta. Inoltre l’assenza di masse esterne non genera squilibri dinamici. Il lavoro di sperimentazione in laboratorio è stato preceduto da uno studio mediante modellatore FEM. I risultati ottenuti dallo studio per mezzo di Ansys Workbench 12.0 sono stati il punto di partenza della sperimentazione, la quale è stata effettuata con l’obiettivo di verificare la validità dei risultati ottenuti mediante modellatore.

Valutazione numerica del comportamento meccanico di giunzioni incollate

Studio su giunti incollati attraverso il metodo agli elementi finiti (FEM). E’ stata implementata l’analisi numerica su provini seguendo lo standard della normativa ASTM International relativa a prove sperimentali, per giunzioni di lamine in metallo o in materiale composito. Si è introdotto il materiale composito, cercando di inquadrarne le proprietà, i limiti e i vantaggi rispetto ai materiali tradizionalmente usati, sono stati elencati i difetti che possono nascere e svilupparsi in un composito durante la sua vita operativa, i quali, anche se di piccole dimensioni, a volte possono risultare tanto pericolosi da portare al collasso dell’intera struttura. Nasce, quindi, durante la fase di progettazione la necessità di rilevare, caratterizzare e tenere sotto controllo i danni e considerare i materiali non completamente esenti da difetti. Si è parlato, poi, del processo di riparazione, ove possibile, come alternativa alla sostituzione del componente con un notevole risparmio sui costi di manutenzione. Sono stai presi in esame i vari metodi effettuando un confronto tra essi. Per questo lavoro di tesi, è stato preso in esame l’incollaggio come metodo di fissaggio tra la membrana riparata e la struttura esistente e ne è stata descritta la teoria. Dopo questa panoramica si è passati alla verifica sugli incollaggi attraverso le analisi FEM.

Un modello matematico in epidemologia

Fornisce una breve trattazione di due tipi di modelli matematici applicabili nel campo dell'epidemologia, prendendo spunto da un articolo del biologo matematico A. Korobeinikov, "Lyapunov function and global properties for SEIR and SEIS epidemic models".

Valutazione delle prestazioni di cicli a gas, vapore e combinati.

Il lavoro è costituito da una prima parte nella quale sono analizzate in dettaglio le caratteristiche fisiche e tecnologiche degli impianti a vapore, a gas e combinati. Segue quindi una seconda parte nella quale è introdotto l'ambiente di programmazione Matlab, sono spiegate alcune funzionalità del programma e infine vengono analizzate alcune toolboxes rilevanti per la parte conclusiva del lavoro, che riguarda l'analisi numerica dei cicli sopra menzionati volta all'ottenimento di interfacce user-friendly che consentono l'approccio analitico completo a questo tipo di sistemi anche da parte di utenti inesperti di programmazione.

Valutazione degli effetti dei processi tecnologici sulla resistenza al pitting in soluzione salina di acciao aisi 316L saldato

L'obiettivo di questa tesi è lo studio del comportamento a corrosione per pitting dell’acciaio inox AISI 316L saldato TIG e sottoposto a differenti cicli di laminazione e di ripristino del film passivo.

Studio sulla vulnerabilità sismica dell'Istituto di Matematica a Bologna

Lo studio in esame si pone l'obiettivo di fornire dati sintetici ma rappresentativi del comportamento statico e sismico dell'Istituto di Matematica di Bologna (1965). Nella prima parte vengono descritte le fasi di conoscenza della geometria degli elementi e delle caratteristiche meccaniche dei materiali componenti la struttura in calcestruzzo armato. Nella seconda parte vengono descritte le verifiche condotte (SLE, SLU) e proposti i risultati sotto forma di istogrammi. Viene posta particolare attenzione alle verifiche sismiche allo SLV per le quali l' edificio mostra un comportamento critico.