Caratterizzazione fluidodinamica di un digestore anaerobico modello tramite tecniche di diagnostica ottica

L’aumento del consumo di energia globale e le problematiche legate all’inquinamento stanno rendendo indispensabile lo spostamento verso fonti di energia rinnovabile. La digestione anaerobica rappresenta una possibile soluzione in quanto permette di produrre biogas da biomassa organica di scarto ma, l’ottimizzazione del processo risulta difficoltosa a causa delle numerose variabili chimiche, biologiche, fisiche e geometriche correlate. Nel presente elaborato, concentrandosi sulle problematiche relative alla miscelazione interna, è stata investigata la fluidodinamica interna di un reattore modello ottenuto tramite scale-down di un digestore anaerobico industriale che presentava problemi di sedimentazione di sostanza solida sul fondo del reattore. Tramite tecniche di diagnostica ottiche, è stato studiato il movimento del fluido, prima utilizzando acqua demineralizzata e poi una soluzione di gomma di xantano come fluido di processo, al fine di studiare il campo di moto medio interno al reattore. Le tecniche utilizzate sono la Particle Image Velocimetry (PIV) e la Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Al fine di rendere il sistema investigato il più rappresentativo possibile del digestore industriale, è stato utilizzato come fluido di processo per alcune delle prove raccolte, una soluzione acquosa 1,0g/kg di gomma di xantano, le cui proprietà reologiche sono state investigate grazie ad un Reometro Anton Paar MCR 301.

Analisi dei regimi di miscelazione in sistemi gas-liquido agitati meccanicamente, mediante tecnica sperimentale della ERT

Nell’industria chimica i processi di miscelazione hanno un impatto considerevole sulla maggior parte delle operazioni unitarie ed è, pertanto, di fondamentale importanza studiarne i meccanismi. Per tale motivo, durante questo lavoro di tesi sono stati investigati i regimi di miscelazione all’interno di reattori agitati meccanicamente, che contengono miscele bifase gas-liquido. In particolare, l’analisi è stata condotta su un fermentatore realizzato in scala di laboratorio in cui è stata installata una girante a pale concave che prende il nome di BT-6, con la tecnica sperimentale della tomografia a resistenza elettrica (ERT). L’obiettivo del presente elaborato consiste nell’esaminare la distribuzione della fase gassosa con l’utilizzo di suddetta tecnica all’interno del liquido, in quanto parametro chiave per la progettazione e la valutazione delle prestazioni di questo tipo di apparecchiature. Attraverso l’utilizzo della tomografia, si misura la distribuzione di conducibilità della sostanza da cui, mediante l’implementazione di un algoritmo, si risale alla frazione di gas dispersa in fase liquida. Infine, i vari regimi di miscelazione analizzati durante questo lavoro di tesi, sono stati confrontati con prove analoghe condotte in una precedente sperimentazione su una girante di tipo Rushton.

Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell’ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si è diffuso l’utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) è il settore dell’ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) è quello più diffuso nella comunità antincendio e utilizzato all’interno della presente analisi. L’elaborato introduce le basi dell’ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d’incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L’analisi tratta il confronto tra delle prove d’incendio in scala reale effettuate all’interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l’effettiva evoluzione dell’incendio. Nell’analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.

Studio sperimentale di una pompa di calore elio-assistita a CO2 per la climatizzazione e la produzione di acqua calda sanitaria

Il seguente lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio delle prestazioni energetiche di una pompa di calore elio-assistita, reversibile e multi-sorgente, la quale combina la tecnologia delle pompe di calore aria-acqua con quella dei collettori solari ibridi termo-fotovoltaici. L’impianto oggetto di studio è situato presso il centro di ricerca ENEA Casaccia ed è stato sviluppato con lo scopo di soddisfare la richiesta di riscaldamento/raffrescamento e produzione di acqua calda di un edificio residenziale o commerciale. In questo elaborato si è analizzato il funzionamento invernale della pompa di calore finalizzato alla produzione di acqua calda sanitaria, confrontando due modalità operative differenti con diverse impostazioni di lavoro della frequenza del compressore e della valvola di laminazione. L’elemento distintivo delle due modalità operative è il componente avente la funzione di evaporatore in quanto in una modalità è stata impiegata una batteria alettata con ventilazione forzata, mentre nell’altra un campo di pannelli termo-fotovoltaici. I risultati ottenuti dalle prove sperimentali hanno evidenziato migliori prestazioni della pompa di calore con i collettori ibridi termo-fotovoltaici, in caso di presenza di elevati valori di irraggiamento solare. Elemento di innovazione dell’impianto sperimentale è l’utilizzo del fluido naturale R744 (CO2) come refrigerante il quale viene sfruttato anche per raffreddare le celle fotovoltaiche comportando in questo modo, un doppio effetto utile all’impianto stesso: miglioramento del rendimento elettrico dei collettori solari e contemporaneamente un incremento della temperatura di evaporazione con conseguente beneficio sulle prestazioni della pompa di calore.

Caratterizzazione fluidodinamica di reattori agitati meccanicamente tramite tecniche di diagnostica ottica: effetto del comportamento reologico delle fasi.

Il lavoro di tesi si è posto l'obiettivo di studiare il comportamento fluidodinamico di un reattore agitato meccanicamente, scale-down di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, attraverso tecniche di diagnostica ottica. Le tecniche utilizzate sono state la Particle Image Velocimetry, PIV, e la Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF. Le prove sono iniziate utilizzando acqua all’interno del reattore e sono proseguite utilizzando una soluzione di acqua e Carbometilcellulosa (CMC) a concentrazione di CMC progressivamente crescente per aumentare la viscosità apparente della soluzione non newtoniana con lo scopo di simulare il più realisticamente possibile la viscosità del contenuto reale del digestore. Tutte le diverse soluzioni sono state indagate per diverse velocità e diversi sensi di rotazione. Le prove di diagnostica ottica sono state progressivamente affiancate da prove al reometro di campioni di soluzione per il calcolo della viscosità apparente. La PIV ha fornito la misura del campo di moto di un piano, è stato scelto di analizzare un piano verticale. Il metodo di diagnostica ottica ho previsto l’utilizzo di quattro componenti: una sezione per il test otticamente trasparente contenente la soluzione inseminata con piccole particelle di tracciante (particelle di argento e vetro cavo) che seguono il flusso, una sorgente di illuminazione pulsata (laser), un dispositivo di registrazione (una telecamera digitale ad alta definizione) ed un software per la cross-correlazione delle immagini acquisite (DynamicStudio). La PLIF è stata implementata per lo studio del tempo caratteristico di miscelazione nel reattore. La strumentazione utilizzata è stata la stessa della PIV con un tracciante diverso a base di Rodhamina-6G. Lo studio ha riguardato il tempo necessario all’omogeneizzazione del tracciante mediante un’analisi del coefficiente di variazione, CoV, delle immagini acquisite.

Analisi e studio di interventi di manutenzione straordinaria di Infrastrutture Viarie: il caso studio del cantiere Anas nella Galleria Valbiano

L’elaborato di tesi tratta la manutenzione programmata delle gallerie analizzando il caso studio del cantiere Anas nella Galleria Valbiano, posta sulla SS 3 bis "Tiberina". Si è introdotto il tema analizzando la storia di Anas e le varie tipologie di gallerie e pacchetti stradali presenti. Si sono poi descritte le tipologie di manutenzione effettuate sulla rete stradale e le indagini specifiche per valutare lo stato di fatto sia delle pavimentazioni stradali che delle gallerie. Si è introdotto il cantiere oggetto di studio, la Galleria Valbiano, andando ad analizzare le peculiarità dell’opera e il contesto in cui è inserita. Si è dedotto lo stato di fatto della galleria andando ad analizzare i dati ottenuti dalle prove svolte e si sono descritti i difetti riscontrati. Nella fase operativa si è descritta la gestione dei flussi veicolari durante il cantiere, la sua organizzazione, e tutti gli interventi eseguiti nella canna Sud della galleria in oggetto. Gli interventi eseguiti hanno compreso riparazione di fessure, ripristini corticali del rivestimento, ripristini dei giunti degradati, la realizzazione di dispositivi di raccolta delle acque di piattaforma e di drenaggio, il rivestimento illuminotecnico dei piedritti, il ripristino dello strato di usura della pavimentazione e la realizzazione dell’impianto di illuminazione.

Tecniche di valutazione della tensione residua all'interno di calcestruzzo precompresso

La maggior parte della rete viaria nazionale ha superato i 50 anni di vita, essendo stata progettata tra il dopo guerra e i primi anni ’70. Di conseguenza, le infrastrutture come ad esempio ponti e viadotti sono caratterizzate da un generalizzato stato di degrado. Nell’ottica delle verifiche di sicurezza delle opere in C.A.P. esistenti, quindi, conoscere la precompressione residua di un determinato elemento, con un certo grado di affidabilità, permette di valutare la necessità di intervento o meno sullo stesso. Tra le tecniche diagnostiche in maggior diffusione vi è quella del rilascio tensionale, che consiste nello stimare l’attuale stato di precompressione agente su specifiche sezioni di elementi precompressi a partire dal rilascio di deformazione di precompressione, agente sul calcestruzzo, isolandone una porzione tramite una serie di tagli fino al raggiungimento del completo rilascio. Esistono varie tecniche di rilascio tensionale ma nella letteratura scientifica non esiste ancora una robusta validazione di questi metodi dal punto di vista dell’affidabilità e dell’accuratezza. In questo lavoro di tesi sono state affrontate due tecniche, riconducibili a due macrogruppi di metodi di misura: metodo tramite la realizzazione di tagli inclinati o perpendicolari rispetto alla superficie del manufatto in calcestruzzo, al fine di estrarre un provino tronco piramidale; metodo tramite l’estrazione di una carota perpendicolare alla superficie del manufatto in calcestruzzo. L’obiettivo prefissato era la valutazione delle prove in termini di attendibilità dei risultati con, inoltre, una particolare attenzione all’invasività nei confronti della struttura e alla ripetibilità in situ. Per il lavoro di tesi sono state realizzate 10 colonne in cemento armato (C.A.) a cui, al fine di simulare uno stato di precompressione, è stata applicata una tensione nota di compressione per poi procedere con le prove di rilascio tensionale tramite i metodi considerati.

Studio sperimentale dello stoccaggio di idrogeno in idruri metallici

Negli ultimi decenni, il riscaldamento globale, causato dall’emissioni di gas serra in atmosfera, ha spinto i governi ad agire verso una progressiva sostituzione della generazione elettrica da fonte fossile con quella da rinnovabile. La non programmabilità di alcune fonti rinnovabili ha reso necessario l’utilizzo di tecnologie di accumulo dell’energia elettrica. In particolare, la produzione di idrogeno sembra essere una valida soluzione, ma il suo stoccaggio è uno dei principali ostacoli alla sua diffusione. Tra i diversi metodi di stoccaggio, quello più promettente è quello in idruri metallici. Affinché questa tecnologia diventi competitiva, è però necessario migliorare la cinetica della reazione di assorbimento/desorbimento dell’idrogeno nel sito metallico, attraverso una migliore gestione del calore prodotto/richiesto dalla reazione. In questo contesto, la presente tesi ha come obiettivo l’ottimizzazione del processo di carica di bombole agli idruri metallici, situate all’interno di una microgrid per la generazione e l’accumulo di energia da fotovoltaico, attraverso lo sviluppo di un sistema di controllo della temperatura delle bombole, e la realizzazione di prove sperimentali per valutare i reali benefici che esso comporta, in termini di capacità di stoccaggio e velocità di assorbimento dell’idrogeno. Dopo aver presentato il contesto energetico, lo stato dell’arte degli idruri metallici e la microgrid in cui sono situate le bombole, sono state descritte due versioni diverse del sistema ideato: una versione definitiva, che potrà essere realizzata per eventuali studi futuri, e una versione semplificata, che è stata poi realizzata in laboratorio. È stato descritto nel dettaglio il setup sperimentale, realizzato per svolgere le prove sul processo di carica della bombola, e sono stati poi riportati e confrontati i risultati ottenuti nel caso in cui non si è fatto uso del prototipo e quelli ottenuti nel caso in cui viene invece utilizzato per raffreddare la bombola.

LoRa Mesh: un caso di studio per la comunicazione tra imbarcazioni da diporto

Il progetto è stato sviluppato con l’idea di creare una rete attraverso la quale imbarcazioni da diporto relativamente vicine (10km), si possano scambiare informazioni sullo stato del mare e della navigazione, anche in assenza di una connessione a internet. In tal modo i dati dell’imbarcazione, come temperatura esterna, temperatura dell’acqua, vento, coordinate gps, AIS ecc... verrebbero condivisi attraverso la rete. In questo progetto è stata sviluppata un'infrastruttura in grado di far comunicare imbarcazioni da diporto su bande non licenziate, utilizzando solo materiale OpenSource, in particolare un protocollo chiamato LoRaMesh. Tale infrastruttura, non basandosi su uno standard definito, ha la possibilità di adattarsi a qualsiasi tipo di dato. Tutto il progetto si basa su schede PyCom, ed è stato sviluppato del codice in grado di fornire uno scambio di dati costante e un’interfacci BLE per comunicare con più dispositivi possibili. Per fornire un’esempio di come ci si può connettere con il BLE è stata scritta un’app per IOS che fornisce varie funzionalità, tra cui la possibilità di inviare dati GPS, molto utile per l’esecuzione dei vari test. Sono state svolte varie prove, in diversi luoghi e condizioni, utili a capire la portata massima dei dispositivi, e come la rete mesh si adatta e ripara.

Impiego degli scarti della molluschicoltura di Goro come sottoprodotto in applicazioni edilizie: fattibilità normativa e proprietà tecniche applicative.

Nello studio condotto si è voluto indagare in modo preliminare la fattibilità dal punto di vista normativo e tecnico di attuare operazioni di recupero di materia su scarti prodotti dagli stabilimenti di molluschicoltura di Goro, con il fine di inserirli in un progetto più ampio di costruzione di barriere sommerse a protezione del litorale. Attraverso dati produttivi è stato analizzato innanzitutto il contesto territoriale nel quale si colloca questa attività. E' stato ripercorso il destino ambientale che attende gli scarti in uscita all'impianto e con l'ausilio delle normative in materia di rifiuti si è cercato di delineare possibili scenari migliorativi rientranti nei principi dell'economia circolare, mostrandone i rispettivi vantaggi e requisiti. Ipotizzata l'alternativa migliore, infine si sono studiate le caratteristiche tecniche del capulerio al fine di destinarlo ad un impiego in campo edile, attraverso prove condotte in laboratorio e studi presenti in letteratura.

Studio di fattibilità di un sensore autoalimentato per misure di corrente nelle reti filoviarie

Negli ultimi anni vi è stato un aumento della sensibilità in merito alle tematiche ambientali e questo ha riguardato anche il settore della mobilità, spingendo sempre più verso l’elettrificazione dei trasporti. Una delle possibilità per elettrificare i trasporti sono le reti filoviarie. Di quelle già esistenti, però, la maggior parte è stata realizzata nel secolo scorso. Inoltre, non vengono effettuate misure per valutare quale sia lo stato del carico sulla rete. In questa tesi si è valutata la fattibilità di realizzazione di un sensore non intrusivo per la misura delle correnti sulle filovie di reti esistenti, al fine di poter ottenere i dati relativi ai flussi di potenza e permettere quindi, in futuro, una migliore gestione della rete. Per effettuare la misura di corrente in modo non invasivo si è pensato di utilizzare un sensore di campo magnetico stazionario. Per valutare l’intensità del campo magnetico, al fine di scegliere il sensore che si confacesse alle caratteristiche dell’applicazione, si è proceduto a sviluppare diversi modelli per rappresentare i conduttori della filovia. Da queste simulazioni è stato inoltre possibile valutare quale fosse la posizione più idonea al collocamento del sensore. Per l’alimentazione del sensore, si sono valutate più possibilità che permettessero di non ricorrere ad un cablaggio ausiliario, tra cui l’utilizzo di un pannello fotovoltaico eventualmente accoppiato ad una batteria. Per la trasmissione dei dati, sono stati valutati più protocolli e dispositivi di comunicazione per trovare quello che meglio combinasse le necessità di trasmissione su distanze medio-lunghe e la necessità di minimizzare i consumi energetici. Infine, sono state effettuate prove sperimentali per validare l'affidabilità delle misure, ovvero verificare che fosse realmente possibile stimare il valore delle correnti nei conduttori della filovia partendo da una misura di campo magnetico, e se i consumi energetici stimati fossero in linea con quelli reali.

Indagine biomeccanica del dispositivo di fissazione esterna Rekrea per l'allungamento degli arti

L'allungamento controllato monofocale viene eseguito nel caso di discrepanze della lunghezza degli arti. Il dispositivo Rekrea, ideato e realizzato dall'azienda Citieffe, viene utilizzato per lo svolgimento di tale trattamento. La stabilità del sistema di fissazione esterna è un fattore cruciale per il successo di un trattamento di allungamento osseo ma difficile da raggiungere in quanto dipendente da numerose variabili. Nello specifico, questo lavoro di tesi verte sullo studio del comportamento meccanico dei singoli morsetti Small e Standard e dell'innovativa configurazione Tandem impiegati in due contesti clinici particolari: i pazienti acondroplasici ed il trattamento di allungamento di tibia. A seguito di una iniziale ricerca bibliografica, sono state pianificate e svolte delle prove meccaniche di diverse configurazioni per caratterizzare il comportamento di tali dispositivi. Attraverso un'analisi dei risultati ottenuti è stato evidenziato quanto il singolo morsetto Small conferisca un'elevata rigidezza del costrutto e permetta di ridurre la distanza morsetto - analogo osseo. In più è stato evidenziato come la configurazione Tandem sia risultata un buon sostituto del morsetto Sandwich ed in particolare, come l'utilizzo di tre viti ossee conferisca una maggiore rigidezza del costrutto.

Caratterizzazione biomeccanica sperimentale di un dispositivo protesico osteointegrato per amputati transfemorali

Le protesi con invasatura per amputati transfemorali sono considerate il gold standard di riferimento. Esse possono indurre numerose problematiche. Per far fronte a ciò sono state sviluppate delle protesi chiamate protesi osteointegrate. Non essendo ancora presenti standard specifici per i test meccanici riguardanti queste protesi, l’obiettivo generale dello studio è stato quello di definire un metodo di prova ripetibile per determinare le proprietà di resistenza di uno stelo protesico osteointegrato e l’interazione dello stelo protesico con l’osso. In particolare, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio della stabilità meccanica e dell’integrità di una protesi per amputati transfemorali. Inoltre, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio delle deformazioni sulla superficie dell’osso con impiantata la protesi. Per il raggiungimento di tale obiettivo sono stati condotti degli studi sulle normative ISO e sui carichi a cui è sottoposto il femore durante lo svolgimento di azioni di vita quotidiana. In seguito, è stato progettato un primo prototipo concettuale di stelo protesico personalizzato da utilizzare per mettere a punto le prove utilizzando un femore composito. Sono state svolte delle prove meccaniche di presso-flessione sul dispositivo protesico e sul dispositivo protesico impiantato nell’osso. Sono state quindi valutate le deformazioni massime sulla superficie dell’osso in corrispondenza dei picchi di carico massimo raggiunto. I metodi definiti per lo svolgimento della prova meccanica sul dispositivo protesico e della prova meccanica sull’osso con il dispositivo impiantato consentono di effettuare delle prove meccaniche ripetibili e riproducibili. Tali prove consentono di valutare la resistenza a fatica dello stelo protesico e le deformazioni superficiali dell’osso nel quale è impiantato.

Caratterizzazione di laboratorio di miscele bituminose di micro-usura a ridotto impatto ambientale

L’ambito delle infrastrutture stradali deve approcciarsi ad una progettazione sostenibile, studiando soluzioni prestazionali ma a basso impatto ambientale. La presente sperimentazione ha come scopo la caratterizzazione di un conglomerato bituminoso per strato di micro – usura, prodotto a caldo, costituito interamente da aggregati di riciclo. Gli aggregati utilizzati sono stati fresato d’asfalto, aggregato derivante da processi di lavorazione dell’acciaio e sabbia derivante dall’incenerimento dei rifiuti solidi urbano, sottoposti a prove di caratterizzazione volumetrica e meccanica. Si è dimostrato che il loro utilizzo non ha intaccato le prestazioni delle miscele. Si sono progettate due tipologie di miscele utilizzando bitume hard e bitume 50 / 70 con aggiunta di fibra strutturale. Si sono effettuate prove per la caratterizzazione volumetrica e meccanica su miscele con differenti percentuali di bitume si è arrivati a considerare quella ottimale. Si sono valutate le prestazioni delle miscele, confrontandole e studiando l’influenza della fibra strutturale nella miscela con bitume 50 / 70. Tale fibra ha migliorato le prestazioni della miscela, ottenendo un conglomerato durevole, con un buon comportamento in esercizio che necessita di minore manutenzione.

Analisi e sviluppo di un sistema produttivo riconfigurabile (RMS) per un componente meccanico

L’intensificarsi della concorrenza globale, il rapido sviluppo delle tecnologie e le mutevoli richieste dei clienti hanno portato a una tendenza verso maggiori differenze nei requisiti dei clienti, maggiore necessità di personalizzazione, cicli di vita dei prodotti sempre più brevi e la necessità di una rapida introduzione di nuovi prodotti. I produttori devono tenere conto di queste nuove tendenze e devono essere in grado di fronteggiarle per ottenere un vantaggio competitivo. I sistemi di produzione riconfigurabili RMS sono adatti nella gestione di queste richieste in quanto il sistema può essere continuamente riconfigurato per adattarsi alle richieste del mercato in termini di volumi richiesti e personalizzazione esatta dai clienti. Lo sviluppo effettivo di RMS risulta, ad oggi, molto impegnativo per le aziende e questo è il principale motivo per il quale si ricorre ancora a sistemi di produzione maggiormente tradizionali come DMS e FMS. Questo elaborato definisce le caratteristiche fondamentali ed i principi di progettazione dei RMS, facendone un confronto con quelle dei sistemi DMS e FMS. Successivamente, partendo da un esempio industriale e seguendo i principi fondamentali dei RMS, si sviluppano dei concept di linea produttiva, con celle e stazioni idonee allo sviluppo di un sistema riconfigurabile. In ultima analisi, presso il laboratorio dell’Università di Aalborg, in Danimarca, vengono condotte prove pratiche sulla linea di produzione riconfigurabile Festo. Queste hanno permesso di mettere in luce gli aspetti di forza e le criticità di tali sistemi. Infine, vengono proposte idee per rendere più efficaci i RMS e vengono brevemente illustrate altre possibili tipologie di riconfigurazione in cui viene completamente stravolto il concetto di linea di produzione odierno.