Studio ed ottimizzazione di una turbina idraulica per piccoli stramazzi

Studio di ottimizzazione di una turbina idraulica per piccoli stramazzi di concezione innovativa.

Biogas and bio-hydrogen: production and uses. A review

The first part of this essay aims at investigating the already available and promising technologies for the biogas and bio-hydrogen production from anaerobic digestion of different organic substrates. One strives to show all the peculiarities of this complicate process, such as continuity, number of stages, moisture, biomass preservation and rate of feeding. The main outcome of this part is the awareness of the huge amount of reactor configurations, each of which suitable for a few types of substrate and circumstance. Among the most remarkable results, one may consider first of all the wet continuous stirred tank reactors (CSTR), right to face the high waste production rate in urbanised and industrialised areas. Then, there is the up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), aimed at the biomass preservation in case of highly heterogeneous feedstock, which can also be treated in a wise co-digestion scheme. On the other hand, smaller and scattered rural realities can be served by either wet low-rate digesters for homogeneous agricultural by-products (e.g. fixed-dome) or the cheap dry batch reactors for lignocellulose waste and energy crops (e.g. hybrid batch-UASB). The biological and technical aspects raised during the first chapters are later supported with bibliographic research on the important and multifarious large-scale applications the products of the anaerobic digestion may have. After the upgrading techniques, particular care was devoted to their importance as biofuels, highlighting a further and more flexible solution consisting in the reforming to syngas. Then, one shows the electricity generation and the associated heat conversion, stressing on the high potential of fuel cells (FC) as electricity converters. Last but not least, both the use as vehicle fuel and the injection into the gas pipes are considered as promising applications. The consideration of the still important issues of the bio-hydrogen management (e.g. storage and delivery) may lead to the conclusion that it would be far more challenging to implement than bio-methane, which can potentially “inherit” the assets of the similar fossil natural gas. Thanks to the gathered knowledge, one devotes a chapter to the energetic and financial study of a hybrid power system supplied by biogas and made of different pieces of equipment (natural gas thermocatalitic unit, molten carbonate fuel cell and combined-cycle gas turbine structure). A parallel analysis on a bio-methane-fed CCGT system is carried out in order to compare the two solutions. Both studies show that the apparent inconvenience of the hybrid system actually emphasises the importance of extending the computations to a broader reality, i.e. the upstream processes for the biofuel production and the environmental/social drawbacks due to fossil-derived emissions. Thanks to this “boundary widening”, one can realise the hidden benefits of the hybrid over the CCGT system.

Validazione di un modello real-time di un turboalbero aeronautico

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è realizzare e validare un modello del propulsore Allison 250 c18 realizzato in Simulink. In particolare utilizzando i dati provenienti da prove sperimentali effettuate al banco prova del laboratorio di Propulsione e macchine della Scuola di Ingegneria e Archittetura vengono dapprima create le mappe prestazionali dei singoli componenti. Esse sono poi implementate all'interno del modello in Simulink, realizzato con struttura modulare a blocchi permettendo il modellamento di ogni singolo componente del motore. Successivamente i dati provenienti dalle simulazioni sono confrontati con i dati sperimentali, riscontrando risultati soddisfacenti. In ultimo si riporta brevemente una descrizione della compilazione del modello da utilizzare in una interfaccia LabVIEW per verificarne il funzionamento del modello in real-time.

Benefici del long route EGR sulla riduzione dei consumi: studio di fattibilità su motore diesel automobilistico

L'EGR (Exhaust Gas Recirculation) è una tecnica comunemente sfruttata per la riduzione delle emissioni. In questo studio sono stati investigati i benefici, in termini di fuel economy, prodotti dall'aggiunta di un circuito EGR long route su un motore diesel per applicazioni automobilistiche dotato di sistema short route. L'indagine è stata svolta su di un modello motore su software GT-Power, adeguatamente calibrato e validato sui dati da piano quotato. Simulazioni sono state svolte al fine di valutare gli effetti del solo LP-EGR sul motore, per poi considerare un funzionamento combinato dai due sistemi di ricircolo (dual loop). Le maggiori portate che per il sistema long route interessano la turbina determinano un incremento nelle contropressioni. Ciò ha portato a considerare la possibilità di modificare il sistema turbo. Il layout originario comprendeva una turbina a geometria fissa (FGT), a cui ne sono stati affiancati due ulteriori con turbina a geometria variabile (VGT). I risultati sono stati analizzati vincolando la produzione di inquinanti ai valori registrati nei punti di calibrazione relativi al layout originale del motore. Effettivo risparmio di combustibile non è stato riscontrato nell'allestimento con turbina FGT a causa delle elevate contropressioni, mentre con turbine VGT è stata registrata una effettiva fuel economy grazie al sistema LP-EGR senza alcun deterioramento nelle emissioni di NOx e PM. I benefici riscontrati con il LP-EGR sono da attribure ad un incremento del rendimento indicato dovuto alla riduzione delle perdite per scambio termico a seguito di una minore temperatura caratterizzante i gas ricircolati.

Produzione di energia elettrica mediante energia marina

La tesi affronta il tema della conversione dell’energia marina in energia elettrica. Tale argomento viene inquadrato nell’ambito della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, di cui si riportano le stime dei costi relativi, e confronti con la produzione da fonti fossili. La tesi affronta il tema della conversione dell’energia marina discutendone: la definizione, l’analisi economica, i progetti principali in cui sono coinvolte le maggiori imprese del settore, cenni alle stime del potenziale energetico dell’energia marina lungo le coste italiane e agli impianti in corso di realizzazione nel suolo nazionale. Vengono descritte inoltre le caratteristiche principali di un impianto per la conversione di energia marina in energia elettrica, ed in particolare: il funzionamento delle turbine marine e la loro classificazione, il principio di funzionamento di un convertitore di energia ondosa ed in particolare del tipo a galleggiamento. La tesi discute le prospettive di sviluppo della tecnologia in oggetto e le possibili applicazioni future. Infine, è presente un’analisi dei principali benefici e svantaggi dell’energia marina come fonte per la produzione di energia elettrica.

Applicazioni degli acciai inossidabili in sistemi per la produzione di energia.

Questo elaborato ha lo scopo di esporre quelli che sono i vantaggi derivanti dall' utilizzo degli acciai inossidabili, specificando il tipo di componente e le ragioni della scelta, nei sistemi per la produzione di energia: dalle turbine, agli impianti nucleari, fino agli impianti che sfruttano le energie alternative (solare, eolica, geotermica, biogas). Inizialmente viene fornito un quadro generale sui differenti tipi di acciai inox (martensitici, ferritici, austenitici e duplex, con le relative proprietà, sottolineandone vantaggi e svantaggi), descrivendone anche i sistemi di designazione, con particolare attenzione alla norma AISI (American Iron and Steel Institute). Una volta messe in risalto queste caratteristiche, vengono esaminati e descritti diversi sistemi di produzione di energia in cui gli acciai inox trovano applicazione: si parte dalle turbine (idraulica, a vapore e a gas), spiegando i benefici nell'utilizzo di particolari categorie di acciai inox nella realizzazione di alcuni dei componenti per questi impianti. Vengono quindi esaminati gli impianti nucleari, partendo da quelli che utilizzano come moderatore e fluido refrigerante acqua naturale, ("PWR", Pressurized Water Reactor) e ("BWR", Boiling Water Reactor), fino a quelli che utilizzano invece acqua pesante ("CANDU", Canadian Deuterium Uranium Reactor), nonchè i reattori veloci ("FBR", Fast Breeding Reactor). Infine, vengono esaminate le applicazioni degli acciai inox, nei sistemi per la produzione di energia che, sfruttano fonti alternative (elencate in precedenza).

Dispositivi di recupero energetico: la valvola di regolazione GreenValve del Politecnico di Milano

Oggetto della trattazione è il recupero di energia da parte di una valvola idraulica durante il processo di regolazione del flusso di corrente in un impianto. Questa valvola di regolazione, detta GreenValve, è un brevetto del Politecnico di Milano, ad opera del Prof. Ing. Stefano Malavasi coadiuvato da un gruppo di ricercatori e tesisti, tra i quali spicca il nome di Cecilia Paris. Cecilia ha incentrato il proprio lavoro sull’analisi teorica e sperimentale della “Valvola Verde”, ed è dalla sua Tesi che il suddetto elaborato trae ispirazione.

Impianti idroelettrici per la produzione di energia

L'energia idroelettrica è una fonte di energia alternativa e rinnovabile che sfrutta il moto dell'acqua, generato grazie all'energia potenziale presente tra due bacini posti a quote diverse per convertire l'energia meccanica in elettrica attraverso un alternatore collegato a turbina. Gli impianti si classificano in: impianti ad acqua fluente, a deflusso regolato, ad accumulo tramite pompaggio. Le turbine idrauliche sono quei dispositivi meccanici in grado di convertire l'energia cinetica in energia meccanica. Fra tutte studieremo la Pelton, la Francis e la Kaplan e i loro criteri di scelta. I grandi impianti hanno un notevole impatto ambientale, ecco perché la nuova tecnologia si basa sul mini idroelettrico; quest'ultimo dal punto di vista economico è competitivo rispetto alle altre fonti rinnovabili ed ai combustibili fossili.

Numerical modelling of axially loaded piled foundations with physical tests validation

L'oggetto della tesi è la modellazione numerica di pali di fondazione per turbine eoliche in ambiente offshore. Il metodo di modellazione comprende l'interpretazione di prove CPT per l'estrapolazione dei parametri geotecnici del terreno, la creazione di un modello dell'interazione tra struttura e terreno tramite il software agli elementi finiti Abaqus, la sua verifica, l'ottimizzazione dell'estensione del modello del terreno e della mesh e la simulazione numerica del comportamento di pali caricati assialmente in compressione. Grazie al confronto con i risultati di test su modelli fisici, eseguiti nel laboratorio dell'istituto Fraunhofer IWES di Hannover, di tre pali aventi la stessa geometria ma installati in punti con diverse condizioni di compattazione della sabbia, è stata possibile la messa a punto di una strategia di simulazione più accurata possibile e la sua validazione. A conclusione del lavoro è stato eseguito un esempio di design di una fondazione jacket per una turbina eolica offshore.

Cure Induced Residual Stresses on Thick Composite Components Manufactured by Additive Process

This study investigates the effect of an additive process in manufacturing of thick composites. Airstone 780 E epoxy resin and 785H Hardener system is used in the analysis since it is widely used wind turbine blade, namely thick components. As a fiber, fabric by SAERTEX (812 g/m2) with a 0-90 degrees layup direction is used. Temperature overshoot is a major issue during the manufacturing of thick composites. A high temperature overshoot leads to an increase in residual stresses. These residual stresses are causing warping, delamination, dimensional instability, and undesired distortion of composite structures. A coupled thermo-mechanical model capable of predicting cure induced residual stresses have been built using the commercial FE software Abaqus®. The possibility of building thick composite components by means of adding a finite number of sub-laminates has been investigated. The results have been compared against components manufactured following a standard route. The influence of pre-curing of the sub-laminates has also been addressed and results compared with standard practice. As a result of the study, it is found that introducing additive process can prevent temperature overshoot to occur and benefits the residual stresses generation during the curing process. However, the process time required increases by 50%, therefore increasing the manufacturing costs. An optimized cure cycle is required to minimize process time and cure induced defects simultaneously.

Fatigue Design Challenges of Transition Pieces from Decommissioned Platforms for Offshore Wind Energy

All structures are subjected to various loading conditions and combinations. For offshore structures, these loads include permanent loads, hydrostatic pressure, wave, current, and wind loads. Typically, sea environments in different geographical regions are characterized by the 100-year wave height, surface currents, and velocity speeds. The main problems associated with the commonly used, deterministic method is the fact that not all waves have the same period, and that the actual stochastic nature of the marine environment is not taken into account. Offshore steel structure fatigue design is done using the DNVGL-RP-0005:2016 standard which takes precedence over the DNV-RP-C203 standard (2012). Fatigue analysis is necessary for oil and gas producing offshore steel structures which were first constructed in the Gulf of Mexico North Sea (the 1930s) and later in the North Sea (1960s). Fatigue strength is commonly described by S-N curves which have been obtained by laboratory experiments. The rapid development of the Offshore wind industry has caused the exploration into deeper ocean areas and the adoption of new support structural concepts such as full lattice tower systems amongst others. The optimal design of offshore wind support structures including foundation, turbine towers, and transition piece components putting into consideration, economy, safety, and even the environment is a critical challenge. In this study, fatigue design challenges of transition pieces from decommissioned platforms for offshore wind energy are proposed to be discussed. The fatigue resistance of the material and structural components under uniaxial and multiaxial loading is introduced with the new fatigue design rules whilst considering the combination of global and local modeling using finite element analysis software programs.

Analisi fluidodinamica di reattori gas-liquido operanti con giranti multiple

La miscelazione di sistemi gas-liquido all’interno di recipienti meccanicamente agitati ritrova molte applicazioni industriali. I recipienti meccanicamente agitati rappresentano la scelta più conveniente poiché consentono una dispersione ottimale della fase dispersa all’interno della fase continua ed uno scambio di materia e di calore efficiente. I parametri chiave sono il consumo di potenza, l’hold-up di gas ed il regime gas-impeller. La fase sperimentale è stata sviluppata mediante l’utilizzo di un reattore pilota operante con tre turbine Rushton. Il consumo di potenza è stato valutato ed i risultati ottenuti dalle analisi di laboratorio sono stati confrontati con la correlazione empirica di Warmoeskerken (1986). Le tecniche impiegate in passato per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido sono caratterizzate da diversi svantaggi quali la possibilità di essere utilizzate solo per lo studio di sistemi trasparenti, l’intrusività ed i costi alti. Attualmente, la tomografia a resistenza elettrica (ERT) è una delle tecniche di ispezione più utilizzate grazie alla sua potenzialità di fornire informazioni qualitative e quantitativi. Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è quello di validare una metodologia da seguire per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido. L’ERT è stata utilizzata per la valutazione dell’hold-up di gas e per l’identificazione del regime instaurato all’interno dell’apparecchiatura. I risultati sono stati confrontati con le valutazioni visive e le correlazioni proposte dalla letteratura. La strumentazione dell’ERT comprende un sistema di sensori, un sistema di acquisizione dati (DAS) ed un computer sul quale è installato il software per la ricostruzione dell’immagine, il quale, generalmente, è basato sull’algoritmo linear back - projection. Ulteriore obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di investigare sulla convenienza di adoperare un software più sofisticato per la ricostruzione dell’immagine.

Analisi di fattibilità dello spostamento di un’isola produttiva nel contesto di un re-layout di stabilimento: il caso Bonfiglioli S.p.A.

Lo stabilimento forlivese di Bonfiglioli S.p.A., centrale nella produzione di riduttori epicicloidali per macchine mobili, escavatori, turbine eoliche e mobilità elettrica, è un elemento fondamentale per il successo dell’azienda che da anni è leader di mercato nella produzione di motoriduttori, azionamenti e inverter per numerosi settori. Questo fa sì che tale impianto sia da tempo oggetto di importanti investimenti per incrementare la produttività, migliorare la logistica interna, soddisfare standard di sicurezza e qualità di prodotto e di processo sempre più alti. Il presente elaborato si inserisce tra le attività di efficientamento dei flussi logistici di stabilimento e punta a valutare la possibilità di ricollocamento di un’isola robotizzata per montaggio di kit planetario all’interno del macro-reparto di assemblaggio, in previsione di investimenti attuali e futuri che ridisegneranno lo scenario produttivo interno. Per valutare la convenienza di spostamento è stata eseguita un’analisi costi-benefici, confrontando l’ubicazione attuale e un’alternativa possibile, condivisa con i responsabili dell’ente di ingegneria di processo, prendendo in esame i vantaggi che questa seconda porterebbe. È inoltre stato fatto un primo dimensionamento di massima (e cautelativo) per un’eventuale creazione di un supermarket per i kit montati dalla cella in esame. Scopo principale dell’elaborato oltre a quello di mettere in luce i miglioramenti possibili dei flussi logistici interni grazie allo spostamento di tale isola, è anche quello di portare una metodologia di analisi che possa poi essere riutilizzata e migliorata per progetti di relayout futuri a più ampio respiro, in un’ottica sempre più “Lean”.