Sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore per motori di ultima generazione.

La riduzione dei consumi energetici è una problematica che riguarda appieno il campo dell'autotrazione, a fronte delle misure sempre più stringenti per il taglio delle emissioni di anidride carbonica. A tal scopo, il recupero di energia dai gas di scarico tramite ciclo Rankine appare la soluzione più vantaggiosa, a fronte di onerosità e complessità affrontabili nel breve periodo. L'obiettivo della presente tesi di laurea è lo sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore bifase per un sistema a ciclo Rankine, utilizzato per il recupero di energia in un'autovettura. Lo svolgimento di test per la validazione dei modelli utilizzati, è risultato fondamentale al fine di ottenere il setup idoneo per la simulazione termofluidodinamica del componente oggetto di studio.

Studio della metilazione del fenolo in fase gas su catalizzatori a base di ossidi metallici

È stata studiata la reattività di sistemi catalitici a base di ossidi misti di V e Fe per la reazione di metilazione del fenolo in fase gas con metanolo. Questi sistemi promuovono efficacemente la deidrogenazione del metanolo a formaldeide, ciò conferisce loro una grande attività e non è stata osservata alcuna disattivazione nei tempi di reazione tenuti. I principali prodotti ottenuti sono 2,6-xilenolo e o-cresolo. Il catalizzatore, inizialmente costituito da FeVO4 subisce, durante le prime fasi di reazione, una progressiva riduzione, fino all’ottenimento di una fase spinello stabile costituita da coulsonite FeV2O4 e magnetite.

Tecnologie per l'accumulo dell'energia

La situazione energetica mondiale, strettamente dipendente dai combustibili fossili, richiede un notevole cambio di rotta, per puntare su fonti energetiche più sostenibili dal punto di vista ambientale, ma che contemporaneamente permettano di evitare le negoziazioni in mercati competitivi come quello del petrolio. Un'efficiente soluzione per colmare i limiti legati all'utilizzo delle fonti rinnovabili è l'uso di sistemi di accumulo dell'energia; grazie a questi sistemi è possibile trasformare l'energia elettrica in altre forme di energia (meccanica, chimica, etc.) per poter essere accumulata e conservata fino al momento dell'utilizzo. Nel corso della trattazione verranno presentate le principali tecnologie per l'accumulo e/o lo stoccaggio di energia, attraverso una descrizione degli impianti, dei principali vantaggi e degli aspetti negativi legati a ciascuno di essi. In seguito saranno fissati i parametri fondamentali per l'analisi delle tecnologie al fine di stabilire, in base alle funzioni da assolvere, quali siano più adatte allo scopo.

Crescita di nanoparticelle in flusso di gas inerte

Lo scopo della seguente tesi è quello di illustrare la disposizione dei campioni di sistemi binari Mg Pd e di deposizioni singole di Ti, nell’abito di due progetti di ricerca, l’SSHS, Solide State Hydrogen Storage nell’ambito dell’Azione COST, e la produzione di titania (TiO2) per la fotocatalisi, sintetizzati in differenti reggimi di flusso di gas d’He, realizzando la crescita con il metodo IGC. Sono state illustrate le nuove proprietà e i metodi di formazione dei materiali nanostrutturati, per poi passare alla descrizione dell’apparato dove sono stati prodotti i campioni, con la conseguente spiegazione della progettazione del controllore di flusso dei sistemi di alimentazione e interfacciamento di quest’ultimo. Dopo un’accurata analisi al microscopio elettronico, `e stata descritta la morfologia dei campioni a due diversi reggimi di flusso di gas He, per i campioni di Mg Pd non sono state apprezzate differenze al variare del flusso, per il Ti, invece, si può notare una variazione morfologica legata alle dimensioni.

Studio di metodi di ricostruzione di top molto energetici all'esperimento atlas

L’acceleratore di protoni e ioni pesanti LHC costruito presso i laboratori del CERN di Ginevra permette sviluppi straordinari nel campo della fisica delle particelle alle alte energie. Tra le diverse linee di ricerca attualmente operative lo studio del quark top riveste un ruolo di particolare rilevanza. Infatti, l’elevata energia accessibile alla macchina rende possibile la raccolta di campioni di elevata statistica necessari per uno studio dettagliato delle proprietà del quark top, la particella più pesante fino ad oggi nota. In particolare in questa tesi viene studiato, e confrontato con l'analisi standard, un nuovo metodo, chiamato “template overlap method”, per la selezione di quark top prodotti ad alta energia. L'obiettivo è valutare se questo nuovo metodo permetterà una migliore precisione nella misura della sezione d'urto differenziale di produzione di coppie tt nelle prossime prese dati dove l'energia nel centro di massa raggiungerà i 13 TeV. L'analisi, per ora, è stata svolta su dati montecarlo simulati per l'esperimento ATLAS ad una energia del centro di massa di 8 TeV. I risultati ottenuti sono incoraggianti perchè mostrano un'alta efficienza di selezione all'aumentare dell'energia dei prodotti di decadimento del top.

Meccanismi di produzione di energia in astrofisica

Prima di fornire una formulazione esaustiva dell'onda d'urto, è d'uopo definire il gas come oggetto fisico e le sue principali caratteristiche. Quanto si farà nei paragrafi seguenti quindi, sarà tentare di formalizzare il sistema gassoso dal punto di vista fisico e matematico. Sarà necessario introdurre un modello del sistema (par. 1.1) che ci permetta di lavorare a livello statistico sull'insieme di particelle che lo compongono per caratterizzare le funzioni termodinamiche classiche come medie temporali. Tramite queste considerazioni si stabilirà quali sono le quantità che si conservano nel moto di un fluido e si vedrà che tali leggi di conservazione formano un sistema di 5 equazioni differenziali parziali in 6 incognite. Tramite la linearizzazione di questo sistema si individueranno delle soluzioni chiamate onde sonore che danno un'indicazione sul modo in cui si propagano delle perturbazioni all'interno di un fluido; in particolar modo saranno utili per la determinazione del numero di Mach che rende possibile la distinzione tra due regimi: subsonico e supersonico (par. 1.2). Sarà possibile, a questo punto, indagare il fenomeno dell'onda d'urto (par. 2.1) e, nel dettaglio, due casi particolarmente utili in contesto astrofisico quali: l'onda d'urto per un gas politropico (par. 2.2), un'onda d'urto sferica che avanza verso il suo centro (2.2). Lo scopo di questa trattazione è indagare, o se non altro tentare, quanto avviene in un'esplosione di Supernova (par. 3). Relativamente a questo fenomeno, ne viene data una classificazione sommaria (par. 3.1), mentre particolare attenzione sarà rivolta alle Supernovae di tipo Ia (par. 3.2) che grazie alla loro luminosità standard costituiscono un punto di riferimento nell'Universo visibile.

Gli idrocarburi non convenzionali nel futuro degli approvvigionamenti energetici : aspetti tecnici e economici

breve trattato sulle potenzialità presenti e future delle fonti fossili non convenzionali e della loro incidenza sugli scenari energetici futuri.

La ventilazione in ambito residenziale: aspetti tecnico-normativi ed applicazione ad un caso di studio

In questa trattazione è analizzato il tema della ventilazione negli ambienti indoor. Oggi questo argomento è di notevole interesse a causa di una serie di fattori molto importanti: - L’uomo trascorre la maggior parte del tempo in spazi chiusi - L’Organizzazione Mondiale della Sanità sottolinea come molte malattie, tra cui asma e allergie, derivino dall’eccesso di umidità interna e dalla presenza di muffe - Gli stili di vita lavorativi sono differenti rispetto al passato: non c’è più tempo per aprire adeguatamente le finestre - L’aria interna è da 10 a 100 volte più inquinata di quella esterna - Negli ambienti i materiali di arredo e i prodotti per la pulizia possono emettere sostanze nocive - L’infiltrazione dai serramenti, con la costruzione di edifici sempre più ermetici e a bassa permeabilità all’aria, risulta insufficiente per garantire un corretto ricambio - Le nuove leggi in materia di risparmio energetico impongono limiti sul fabbisogno energetico di riscaldamento, in parte dovuto ai processi di ventilazione. Vengono quindi analizzati i due sistemi di ventilazione possibili ad oggi in campo residenziale: la ventilazione naturale e la ventilazione meccanica controllata (VMC) applicati poi ad un edificio nel quartiere di Corticella (BO). Sono stati posti poi a confronto i due sistemi nel calcolo dei fabbisogni energetici per ventilazione e nelle relative incidenze rispetto al termine legato allo scambio termico per trasmissione. Viene proposta infine un'ipotesi di realizzazione di impianto di ventilazione meccanica integrato con una riqualificazione architettonica completa dell'edificio per il raggiungimento di elevate prestazioni energetiche.

Analisi energetica di un impianto di condizionamento a tutt'aria integrato con l'involucro opaco verticale di un edificio

Il mantenimento delle condizioni termoigrometriche ottimali all’interno di edifici mediante l’uso di unità di trattamento dell'aria comporta generalmente consumi energetici notevoli. Ciò che determina il livello entalpico di immissione dell’aria è il fabbisogno energetico dell’involucro edilizio: la geometria, i materiali di costruzione, unitamente ai carichi interni, alle infiltrazioni d’aria indesiderate, e ovviamente, alla zona climatica in cui l’edificio sorge, giocano un ruolo fondamentale nel computo dei consumi energetici. Nella pratica, esistono diverse soluzioni tecniche volte alla riduzione dei consumi e quindi dei costi di gestione di queste tipologie di impianto. Tra queste, occorre senz’altro ricordare l’inserimento del “cappotto termico” e delle cosiddette facciate ventilate. Ciascuna di queste due soluzioni interviene direttamente sull’involucro edilizio, riducendone il fabbisogno energetico. Si trovano poi soluzioni che non interessano direttamente l’involucro, ma che sono inserite all’interno dell’impianto in modo da ridurne i consumi. E’ il caso dei recuperatori di calore, scambiatori di calore che utilizzano l’aria prelevata dal locale condizionato per preriscaldare o preraffreddare l’aria esterna. Lo scopo di questo elaborato è quello di analizzare le prestazioni energetiche di un impianto di condizionamento che utilizzi, combinandole, due di queste soluzioni: l’intercapedine ventilata, con convezione di tipo forzata, e il recuperatore di calore. In particolare, si è fatto in modo che la facciata ventilata sia una sorta di componente dell’impianto, che risulta quindi “integrato nell’involucro”: l’idea è quella di studiare l’effetto della frazione di portata elaborata dall’impianto che viene inviata alla parete sui consumi energetici. Si è posta l’attenzione principalmente sulla stagione estiva, nella quale l’impianto studiato fa anche uso della tecnica del cosiddetto mist cooling: umidificando la portata d’aria di ripresa sia a monte che all’interno dell’intercapedine ventilata, si abbatte la temperatura dell’aria, con un conseguente abbattimento della temperatura di parete e con un notevole miglioramento delle prestazioni del recuperatore di calore.

Studio del comportamento catalitico nella reazione di Water Gas Shift a media ed alta temperatura

Per massimizzare la quantità di H2 nel gas di sintesi ottenuto dal processo di Steam Reforming (SR) si utilizza la reazione di Water Gas Shift (WGS): CO + H2O ⇆ CO2 + H2 ∆H0298 = - 41,2 KJ/mol Sulla base di sistemi catalitici Cu/Zn/Al si è cercato di modificarne la composizione per ottenere catalizzatori attivi e stabili in un intervallo di temperatura tra 350-450 °C, (High Temperature Shift o HTS), al fine di sostituire i tradizionali sistemi a base di Fe/Cr, in relazione alle limitazioni ambientali all’utilizzo del Cr e per poter operare con valori inferiori del rapporto S/DG. Si sono inoltre studiate le caratteristiche dei catalizzatori e le condizioni di reazione che favoriscono la produzione di metilammine ed alcoli nel processo a temperature intermedie, tra 300-350 °C (Middle Temperature Shift o MTS), in relazione alla disattivazione che questi composti comportano nel processo di SR a seguito del riciclo della fase acquosa dal reattore di WGS.

Nuovi catalizzatori per la produzione di idrogeno mediante reazioni di steam reforming e ossidazione parziale catalitica

L'idrogeno è un prodotto di grande importanza per l'industria chimica ed i processi di raffineria. Il 60% dell'intera produzione di idrogeno viene dal reforming del gas naturale. L'oxy-reforming è un processo che unisce la reazione di steam reforming a quella di ossidazione parziale e che ha dimostrato di avere molti vantaggi in termini di temperature molto più basse, minor volume di vapore alimentato con conseguente minori costi energetici e tempi di contatto sul catalizzatore. Per questo processo sono stati preparati, testati e caratterizzati catalizzatori a base di ossidi misti Ce-Zr impregnati con Rh. Particolare attenzione è stata posta all'effetto sulle prestazioni catalitiche del metodo di sintesi e della natura della fase costituente il supporto. Sperimentalmente è stato osservato che il catalizzatore il cui supporto è stato ottenuto via microemulsione ha una migliore attività rispetto al coprecipitato e che la fase ottimale corrisponde ad un rapporto Ce-Zr 0,5-0,5.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Una stella non è un sistema in "vero" equilibrio termodinamico: perde costantemente energia, non ha una composizione chimica costante nel tempo e non ha nemmeno una temperatura uniforme. Ma, in realtà, i processi atomici e sub-atomici avvengono in tempi così brevi, rispetto ai tempi caratteristici dell'evoluzione stellare, da potersi considerare sempre in equilibrio. Le reazioni termonucleari, invece, avvengono su tempi scala molto lunghi, confrontabili persino con i tempi di evoluzione stellare. Inoltre il gradiente di temperatura è dell'ordine di 1e-4 K/cm e il libero cammino medio di un fotone è circa di 1 cm, il che ci permette di assumere che ogni strato della stella sia uno strato adiabatico a temperatura uniforme. Di conseguenza lo stato della materia negli interni stellari è in una condizione di ``quasi'' equilibrio termodinamico, cosa che ci permette di descrivere la materia attraverso le leggi della Meccanica Statistica. In particolare lo stato dei fotoni è descritto dalla Statistica di Bose-Einstein, la quale conduce alla Legge di Planck; lo stato del gas di ioni ed elettroni non degeneri è descritto dalla Statistica di Maxwell-Boltzmann; e, nel caso di degenerazione, lo stato degli elettroni è descritto dalla Statistica di Fermi-Dirac. Nella forma più generale, l'equazione di stato dipende dalla somma dei contributi appena citati (radiazione, gas e degenerazione). Vedremo prima questi contributi singolarmente, e dopo li confronteremo tra loro, ottenendo delle relazioni che permettono di determinare quale legge descrive lo stato fisico di un plasma stellare, semplicemente conoscendone temperatura e densità. Rappresentando queste condizioni su un piano $\log \rho \-- \log T$ possiamo descrivere lo stato del nucleo stellare come un punto, e vedere in che stato è la materia al suo interno, a seconda della zona del piano in cui ricade. È anche possibile seguire tutta l'evoluzione della stella tracciando una linea che mostra come cambia lo stato della materia nucleare nelle diverse fasi evolutive. Infine vedremo come leggi quantistiche che operano su scala atomica e sub-atomica siano in grado di influenzare l'evoluzione di sistemi enormi come quelli stellari: infatti la degenerazione elettronica conduce ad una massa limite per oggetti completamente degeneri (in particolare per le nane bianche) detta Massa di Chandrasekhar.

Caratterizzazione di epid a silicio amorfo per controlli dosimetrici su fasci di fotoni ad alta energia.

Il presente lavoro è stato svolto presso la struttura di Radioterapia del Policlinico S. Orsola - Malpighi e consiste nella caratterizzazione di un sistema di acquisizione per immagini portali (EPID) come dosimetro relativo bidimensionale da usare nei controlli di qualità sui LINAC. L’oggetto di studio è il sistema di acquisizione di immagini portali OPTIVUE 1000ST (Siemens), dispositivo flat panel di silicio amorfo (a-Si) assemblato all’acceleratore lineare Siemens Oncor. La risposta dell’EPID è stata analizzata variando i parametri di consegna della dose, mantenendo fissa la distanza fuoco-rivelatore. Le condizioni di stabilità, ottimali per lavorare, si hanno intorno alle 50 U.M. Dalle curve dei livelli di grigio ottenute risulta evidente che in diverse condizioni d’irraggiamento il sistema risponde con curve di Dose-Risposta differenti, pur restando nello stesso range di dose. Lo studio include verifiche sperimentali effettuate con l’OPTIVUE e usate per espletare alcuni controlli di qualità di tipo geometrico come la coincidenza campo luminoso – campo radiante e la verifica del corretto posizionamento delle lamelle del collimatore multilamellare. Le immagini portali acquisite verranno poi confrontate con quelle ottenute irraggiando tradizionalmente una CR (computed radiography), per la coincidenza e una pellicola radiocromica EBT 3, per l’MLC. I risultati ottenuti mostrano che, per il primo controllo, in entrambi i modi, si è avuta corrispondenza tra campo radiante e campo luminoso; il confronto fra le due metodiche di misura risulta consistente entro i valori di deviazioni standard calcolati, l’OPTIVUE può essere utilizzato efficacemente in tale controllo di qualità. Nel secondo controllo abbiamo ottenuto differenze negli errori di posizionamento delle lamelle individuati dai due sistemi di verifica dell’ordine di grandezza dei limiti di risoluzione spaziale. L’OPTIVUE è in grado di riconoscere errori di posizionamento preesistenti con un’incertezza che ha come limite la dimensione del pixel. Il sistema EPID, quindi, è efficace, affidabile, economico e rapido.

Valutazione della qualità delle immagini e della dose in multi-slice computed tomography per l'ottimizzazione dei protocolli clinici che impiegano sistemi di modulazione automatica

In questo studio ci siamo proposti di investigare i sistemi di modulazione automatica della dose sui sistemi TC Multislice (Automatic Exposure Control – AEC) da tre diversi produttori, aventi differenti indicatori di qualità delle immagini. Il presente lavoro è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria - Policlinico Sant’Orsola-Malpighi di Bologna e consiste in un’analisi quantitativa della dose impiegata durante esami di Tomografia Computerizzata Multi-Slice (TCMS) e delle rispettive immagini radiologiche. Le immagini sono state acquisite con : GE LightSpeed VCT 64 e GE LightSpeed 16 (AEC AutomA 3D longitudinale e angolare), Siemens Sensation 16 (AEC CARE Dose 4D combinato), Philips Brilliance 16 e iCT 64 (separati in AEC ZDOM longitudinale e AEC DDOM angolare). Le acquisizioni TCMS sono state effettuate a differenti kV e mA di riferimento, al fine di investigarne gli effetti sulla modulazione, impiegando algoritmi di ricostruzione standard presenti su ogni macchina. Due fantocci antropomorfi simulanti la zona del torace e dell’addome sono stati utilizzati per simulare un paziente standard posizionato come in un esame clinico di routine ; a questo proposito, sono stati impiegati protocolli elicoidali standard con e senza modulazione. Sono inoltre stati testati differenti valori di indice di qualità delle immagini. Il profilo dei mA lungo la lunghezza è stato ottenuto utilizzando ImageJ, un programma open source comunemente utilizzato per l’elaborazione di immagini; i mAs sono stati normalizzati ad un fattore che tiene conto delle differenti geometrie e delle filtrazioni dei diversi scanner tomografici analizzati nell’esperienza. Il rumore è stato valutato tramite la scelta di determinate ROI (Region Of Interest) localizzate in aree il più possibili uniformi disponibili lungo i fantocci. Abbiamo registrato che una variazione del Noise Index o dei mAs di riferimento a seconda della tipologia di macchina analizzata risulta in uno shift dei profili di dose; lo stesso si è verificato quando sono stati cambiato kV o mA nella scout di acquisizione. Sistemi AEC longitudinali e combinati hanno mostrato profili di mAs normalizzati simili tra loro, con valori elevati evidenziati nella zona delle spalle e zona pelvi; sono state osservate differenze del 30-40% tra i differenti scanner tomografici. Solo in un caso di macchina analizzata si è verificato un comportamento opposto rispetto alle altre due tipologie di macchina in esame. A dispetto della differente natura dei sistemi AEC, i risultati ottenuti dai protocolli combinati e longitudinali sono simili tra loro. Il rumore presente nelle immagini è aumentato ad un livello accettabile e la sua uniformità lungo la direzione di scan è migliorata.

Analisi dell'efficienza energetica e applicazione di un metodo di valutazione della significatività degli aspetti ambientali in relazione al sistema di gestione ambientale di una grande azienda alimentare

A causa delle complesse problematiche ambientali e in accordo con gli obiettivi della legislazione internazionale e comunitaria, le aziende sempre più frequentemente adottano sistemi di gestione per miglioramento continuo delle proprie prestazioni ambientali. La tesi si pone come obiettivo l’analisi dell’efficienza energetica di una grande azienda del settore alimentare: sono state valutate le prestazioni in relazione agli impianti di produzione di energia e i consumi di energia dei singoli reparti di lavorazione e impianti; per ogni reparto sono stati inoltre analizzati dati e indicatori di tipo generale e puntuale, sulla base delle indicazioni riportate nella norma CEI EN ISO 50001: 2011. I risultati mostrano che i reparti di produzione energetica operano in assetto di Cogenerazione ad Alto Rendimento e che negli ultimi due anni si è registrata una riduzione delle emissioni di CO2 rispetto ai MWh prodotti; dal 2008 al 2013 si è assistito ad un trend di aumento dei consumi di energia elettrica rispetto ai prodotti realizzati, a differenza dei consumi di energia termica. Infine sulla base delle priorità di intervento individuate, è stato creato un piano d’azione teso al miglioramento delle performance energetiche. Inoltre la tesi si pone l’obiettivo di creare e applicare un metodo per calcolare la significatività degli aspetti ambientali dell’azienda, al fine di valutare gli impatti associati, in modo da permetterne una classificazione e da individuare le priorità di intervento per il miglioramento delle performance ambientali, in accordo con la norma UNI EN ISO 14001: 2004. Il metodo è stato progettato sulla base di dati aziendali e in modo da garantire oggettività, modulabilità e ripetibilità nella maggiore misura possibile; tale metodo è stato applicato ad un reparto di lavorazione e ha permesso di classificare gli aspetti ambientali, individuando le priorità di intervento, quali consumi idrici ed energetici.