Analisi di misure di scariche parziali nei sistemi isolati a gas

Le apparecchiature elettriche isolate a gas per alta tensione stanno riscuotendo grande successo in particolare per la possibilità di ridurre le dimensioni delle sottostazioni. Sebbene si tratti di strutture meno complesse da realizzare rispetto ai cavi, la causa di guasto risulta prevalentemente imputabile ai difetti dell’isolamento. La diagnostica dei sistemi isolanti è maturata nella comprensione dei fenomeni elettromagnetici coinvolti e delle condizioni a contorno che differenziano i vari difetti, fonti di scariche parziali. Questa tesi affronta il tema delle scariche parziali negli interruttori isolati con gas Esa-Fluoruro di Zolfo. In particolare, propone le basi teoriche per sostenere l’analisi delle misure delle scariche parziali, soprattutto nel caso siano effettuate sul campo. Viene proposto un algoritmo utile ad esaminare le misure delle scariche parziali. Vengono implementati vari metodi grafici e statistici risultati dall’indagine bibliografica. Vengono proposti alcuni grafici a sostegno dell’identificazione di marcatori e indicatori della fisica dei fenomeni.

Progetto concettuale di dirigibile per trasporto di gas

Lo scopo principale di questo elaborato di tesi è poter fornire degli strumenti per il progetto concettuale di un dirigibile non-rigido e per valutare la fattibilità del trasporto di idrogeno gassoso. L’innovazione rispetto ai dirigibili utilizzati fino ad ora risiede nell’utilizzo di idrogeno sia come fonte di energia, che come gas di sollevamento; entrambi gli utilizzi verranno approfonditi con speciale attenzione alle problematiche legate alla sicurezza, fattore che ha interrotto l’uso dell’idrogeno come gas di sollevamento dagli anni ‘30. Oltre a ciò, verrà illustrato un breve confronto tra i due gas di sollevamento più utilizzati: elio ed idrogeno. Dopo un accenno storico, l’elaborato propone una metodologia per il dimensionamento di un dirigibile non-rigido, utilizzando strumenti matematici derivanti da modelli presenti in bibliografia e da considerazioni ed esperimenti svolti dai progettisti e dai ricercatori nei campi principali coinvolti nella progettazione dei dirigibili non-rigidi: aerodinamica, aerostatica, propulsione e stima delle masse. La progettazione di un dirigibile non-rigido ad idrogeno sicuro ed affidabile è influenzata dallo sviluppo di materiali che garantiscano, in primis, resistenza e bassa permeabilità: verrà presentato uno schema di un materiale composito laminato che potrebbe garantire requisiti di sicurezza superiori ai materiali utilizzati in passato, dei quali si farà un accenno. Alla fine dell’elaborato sarà presentato un caso di studio dove verranno utilizzati gli strumenti illustrati nella prima parte della tesi, con l’obbiettivo finale di dimensionare un dirigibile non-rigido ad idrogeno. Per questo caso di studio è stato implementato un breve codice MATLAB. A conclusione di questo lavoro di tesi si può dire che la fattibilità di un dirigibile per trasporto idrogeno dipende dallo sviluppo di materiali e tecniche adeguate alla gestione dell’idrogeno che costituisce enormi problematiche a livello di sicurezza.

Sistemi di stoccaggio non tradizionali: modellazione analitica ed analisi prestazionale multi-scenario

Il seguente elaborato di tesi prevede la simulazione del comportamento di quattro diversi layout di magazzino contenenti lo stesso numero di vani, ipotizzando uno stoccaggio della merce secondo il criterio delle classi. Inoltre è stata analizzata l’influenza della variabile altezza sul tempo di ciclo dei singoli magazzini. I quattro layout analizzati sono stati: il layout tradizionale, il layout diagonal cross aisle, il layout fishbone e il layout leaf. Il primo è un magazzino “convenzionale”, nel quale l’intersezione dei corridoi genera sempre angoli retti, i restanti tre sono magazzini “non convenzionali”, ovvero l’intersezione dei corridoi genera angoli particolari. Per ciascun magazzino è stato realizzato un modello matematico discreto in grado di determinare la posizione di ogni singolo vano, la sua distanza dal punto I/O e la sua altezza da terra. Il modello matematico e la tipologia di gestione del magazzino sono stati successivamente implementati in un programma scritto su Microsoft Excel, mediante il linguaggio integrato VBA (Visual Basic for Application). Questo ha permesso di determinare i tempi di ciclo medi per ciascun magazzino, facendo il rapporto tra le distanze precedentemente calcolate e le velocità di traslazione e sollevamento del carrello elevatore. Per ottenere dalla simulazioni dei valori il più possibile prossimi alla realtà è stata adottata la metodologia di Simulazione Monte Carlo e un numero di estrazioni pari a 1000. Dai risultati ottenuti è emerso che il magazzino fishbone è in grado di garantire i miglior tempo di ciclo e che i tempi di ciclo più bassi si ottengono, a parità di vani presenti in un magazzino, aumentando le dimensioni in pianta piuttosto che aumentando l’altezza del magazzino.

Nonlinear modelling of non-structural masonry walls under a low-intensity earthquake motion: calibration through a parametric study

This thesis aims to understand the behavior of a low-rise unreinforced masonry building (URM), the typical residential house in the Netherlands, when subjected to low-intensity earthquakes. In fact, in the last decades, the Groningen region was hit by several shallow earthquakes caused by the extraction of natural gas. In particular, the focus is addressed to the internal non-structural walls and to their interaction with the structural parts of the building. A simple and cost-efficient 2D FEM model is developed, focused on the interfaces representing mortar layers that are present between the non-structural walls and the rest of the structure. As a reference for geometries and materials, it has been taken into consideration a prototype that was built in full-scale at the EUCENTRE laboratory of Pavia (Italy). Firstly, a quasi-static analysis is performed by gradually applying a prescribed displacement on the roof floor of the structure. Sensitivity analyses are conducted on some key parameters characterizing mortar. This analysis allows for the calibration of their values and the evaluation of the reliability of the model. Successively, a transient analysis is performed to effectively subject the model to a seismic action and hence also evaluate the mechanical response of the building over time. Moreover, it was possible to compare the results of this analysis with the displacements recorded in the experimental tests by creating a model representing the entire considered structure. As a result, some conditions for the model calibration are defined. The reliability of the model is then confirmed by both the reasonable results obtained from the sensitivity analysis and the compatibility of the values obtained for the top displacement of the roof floor of the experimental test, and the same value acquired from the structural model.

Numerical Analysis and Redesign of a High Speed Linear Cascade Wind Tunnel for Aircraft Gas Turbine Engines Testing

Linear cascade testing serves a fundamental role in the research, development, and design of turbomachines as it is a simple yet very effective way to compute the performance of a generic blade geometry. These kinds of experiments are usually carried out in specialized wind tunnel facilities. This thesis deals with the numerical characterization and subsequent partial redesign of the S-1/C Continuous High Speed Wind Tunnel of the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The current facility is powered by a 13-stage axial compressor that is not powerful enough to balance the energy loss experienced when testing low turning airfoils. In order to address this issue a performance assessment of the wind tunnel was performed under several flow regimes via numerical simulations. After that, a redesign proposal aimed at reducing the pressure loss was investigated. This consists of a linear cascade of turning blades to be placed downstream of the test section and designed specifically for the type of linear cascade being tested. An automatic design procedure was created taking as input parameters those measured at the outlet of the cascade. The parametrization method employed Bézier curves to produce an airfoil geometry that could be imported into a CAD software so that a cascade could be designed. The proposal was simulated via CFD analysis and proved to be effective in reducing pressure losses up to 41%. The same tool developed in this thesis could be adopted to design similar apparatuses and could also be optimized and specialized for the design of turbomachines components.

Rilevazione dell'adulterazione di olio extra vergine di oliva con olio di girasole mediante l'impiego di sensori spettrali

Nel corso degli ultimi anni si è assistito ad un aumento di episodi fraudolenti nel settore alimentare. Ciò è vero anche per il settore oleario: per il suo elevato valore economico, nutrizionale e sensoriale, l’olio extra vergine di oliva è un bersaglio perfetto dei frodatori, che realizzano molteplici tipologie di adulterazione. Questo lavoro di tesi si è focalizzato, in particolare, sull’adulterazione dell’olio extra vergine di oliva con olio di semi di girasole. Su campioni preparati in laboratorio per simulare la frode, a partire da due oli extra vergini di oliva addizionati con percentuali diverse di olio di girasole, sono state effettuate determinazioni analitiche utilizzando un sensore spettrale, basato sulla spettroscopia nel vicino infrarosso, seguite da un’elaborazione chemiometrica dei risultati. Lo strumento portatile è stato sviluppato da una start-up olandese presso cui ho svolto il tirocinio curriculare. Il modello di stima risultante dalle risposte fornite dai 16 pixel del sensore ha mostrato una capacità di rilevazione soddisfacente nei confronti di questa adulterazione, conducendo ad un errore medio nella stima della percentuale di olio di girasole aggiunto intorno al 3%. Tale risultato, se verrà confermato da ulteriori analisi grazie alle quali il modello predittivo potrà essere reso più robusto, potrebbe incoraggiare l’utilizzo di questa metodologia analitica come tecnica rapida di screening, facilmente applicabile anche in un contesto industriale, a supporto delle più laboriose e complesse tecniche analitiche tradizionali, nella rilevazione di adulterazioni di oli extra vergini di oliva con oli di semi di girasole.

Many-body approach to the BCS-BEC crossover for an imbalanced ultra-cold Fermi gas

The aim of this thesis is the study of the normal phase of a mass imbalanced and polarized ultra-cold Fermi gas in the context of the BCS-BEC crossover, using a diagrammatic approach known as t-matrix approximation. More specifically, the calculations are implemented using the fully self-consistent t-matrix (or Luttinger- Ward) approach, which is already experimentally and numerically validated for the balanced case. An imbalance (polarization) between the two spin populations works against pairing and superfluidity. For sufficiently large polarization (and not too strong attraction) the system remains in the normal phase even at zero temperature. This phase is expected to be well described by the Landau’s Fermi liquid theory. By reducing the spin polarization, a critical imbalance is reached where a quantum phase transition towards a superfluid phase occurs and the Fermi liquid description breaks down. Depending on the strength of the interaction, the exotic superfluid phase at the quantum critical point (QCP) can be either a FFLO phase (Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov) or a Sarma phase. In this regard, the presence of mass imbalance can strongly influence the nature of the QCP, by favouring one of these two exotic types of pairing over the other, depending on whether the majority of the two species is heavier or lighter than the minority. The analysis of the system is made by focusing on the temperature-coupling-polarization phase diagram for different mass ratios of the two components and on the study of different thermodynamic quantities at finite temperature. The evolution towards a non-Fermi liquid behavior at the QCP is investigated by calculating the fermionic quasi-particle residues, the effective masses and the self-energies at zero temperature.

Obiettivo NZEB nella riqualificazione di condomini: studio di fattibilità di impianto centralizzato a pompa di calore tramite simulazioni in regime dinamico

Molti edifici realizzati negli anni ‘80-‘90 sono caratterizzati da impianti con caldaie autonome e nell’ambito degli interventi di riqualificazione energetica solo raramente vengono inserite delle pompe di calore a causa della temperatura di funzionamento dell’impianto, che spesso deve essere mantenuta elevata per i sistemi di emissione a radiatori. Tuttavia la riduzione dei carichi termici dovuti all'isolamento degli edifici consente di utilizzare i terminali esistenti facendoli lavorare a bassa temperatura, con temperature medie di 45-50°C. Obiettivo principale della tesi è quindi la valutazione della fattibilità e dei vantaggi energetici nell’ambito della sostituzione di un sistema di riscaldamento autonomo a gas con un sistema a pompa di calore. Viene preso in esame un edificio condominiale formato da 47 alloggi sito a San Lazzaro di Savena e in particolare verrà valutata la fattibilità di inserire un impianto centralizzato a pompa di calore per ogni corpo scala di cui è composto l’edificio, alimentando l’impianto con pannelli fotovoltaici installati in copertura. Per valutare i vantaggi energetici è stato utilizzato il software di simulazione dinamica Design Builder che consente di analizzare i fabbisogni energetici e la produzione di energia con step orario. Il modello dinamico permette anche di studiare le strategie d’involucro più opportune per diminuire il fabbisogno energetico e poter far lavorare la pompa di calore con i radiatori esistenti a bassa temperatura. I risultati attesi dal lavoro sono molteplici: in primo luogo verificare che la scelta dell’introduzione della pompa di calore consenta all'edificio di ridurre i consumi di energia primaria da fonti non rinnovabili, con lo scopo di portare l’edificio ad una richiesta di quasi zero energia (NZEB) in linea con le nuove normative europee e nazionali; in secondo luogo che l’utilizzo della simulazione oraria consenta di valutare il matching reale tra produzione e consumo di energia.

Design of a bang-bang pressure regulation system for cold gas and plasma engines

In this thesis the design of a pressure regulation system for space propulsion engines (electric and cold gas) has been performed. The Bang-Bang Control (BBC) method has been implemented through the open/close command on a solenoid valve, and the mass flow rate of the propellant has been fixed with suitable flow restrictors. At the beginning, research for the comparison between mechanical and electronic (for BBC) pressure regulators has been performed, which resulted in enough advantages for the selection of the second valve type. The major advantage is about the possibility to have a variable outlet pressure with a variable inlet pressure through a simple remote command, while in mechanical pressure regulators the ratio between inlet and outlet pressures must be mechanically settled. Different pressure control schemes have been analyzed, changing number of solenoid valves, flow restrictors and plenums. For each scheme the valve’s frequencies were evaluated with simplified mathematical models and with the use of simulators implemented on Python; the results obtained from those two methods matched quiet well. From all the schemes it was possible to observe varying frequency and duty cycle, for changes in different parameters. This results, after experimental checks, can be used to design the control system for a given total number of cycles that a specific solenoid valve can guarantee. Finally, tests were performed and it was possible to verify the goodness of the control system. Moreover from the tests it was possible to deduce some tips in order to optimize the running of the simulator.

Metodi strumentali per l'analisi della frazione volatile in oli di oliva vergini come supporto al panel test

L’olio di oliva è tra i prodotti alimentari principali della dieta mediterranea e possiede delle caratteristiche salutistiche, compositive e sensoriali peculiari. La qualità e la genuinità dell’olio di oliva vergine sono valutate sia mediante determinazioni analitiche chimiche e strumentali, sia attraverso l’analisi sensoriale. Quest’ultima, realizzata con il metodo del panel test, è tra i metodi ufficiali per la classificazione degli oli di oliva vergini nelle tre categorie commerciali extra vergine, vergine e lampante. Tuttavia, l’analisi sensoriale presenta dei limiti legati, in particolare, al numero elevato di campioni di olio da analizzare rispetto alle capacità di lavoro dei panel. Negli ultimi anni è aumentata, così, la necessità di sviluppare e validare metodi analitici strumentali che, pre-classificando gli oli in esame, siano di supporto al panel test e possano ridurre il numero di campioni da sottoporre ad analisi sensoriale. In questo elaborato di tesi sono state prese in considerazione due diverse tecniche analitiche, la gas cromatografica accoppiata alla spettrometria a mobilità ionica (HS-GC-IMS) e la flash gas cromatografia (FGC E-nose), entrambe impiegate per la valutazione della frazione volatile dell’olio di oliva, responsabile degli attributi olfattivi del prodotto. Utilizzando i risultati ottenuti applicando queste due tecniche, mediante analisi multivariata, è stato possibile stimare la categoria merceologica di ogni campione appartenente ad un set di 52 oli di oliva vergini, classificandoli con un determinato livello di probabilità. Entrambe le metodiche analitiche sono già state utilizzate e valutate in precedenti studi; con la sperimentazione effettuata nell’ambito di questa tesi è stato possibile confermare l’efficacia dei modelli di stima che possono essere impiegati con finalità di screening in supporto al panel test, nell’ottica di renderli sempre più robusti ed affidabili per la classificazione degli oli di oliva vergini.

The molecular gas content of star-forming galaxies in the ALPINE fields.

In this thesis, I aim to study the evolution with redshift of the gas mass fraction of a sample of 53 sources (from z ∼ 0.5 to z > 5) serendipitously detected in ALMA band 7 as part of the ALMA Large Program to INvestigate C II at Early Times (ALPINE). First, I used SED-fitting software CIGALE, which is able to implement energy balancing between the optical and the far infrared part, to produce a best-fit template of my sources and to have an estimate of some physical properties, such as the star formation rate (SFR), the total infrared luminosity and the total stellar mass. Then, using the tight correlation found by Scoville et al. (2014) between the ISM molecular gas mass and the rest-frame 850 μm luminosity, I used the latter, extrapolating it from the best-fit template using a code that I wrote in Python, as a tracer for the molecular gas. For my sample, I then derived the most important physical properties, such as molecular gas mass, gas mass fractions, specific star formation rate and depletion timescales, which allowed me to better categorize them and find them a place within the evolutionary history of the Universe. I also fitted our sources, via another code I wrote again in Python, with a general modified blackbody (MBB) model taken from the literature (Gilli et al. (2014), D’Amato et al. (2020)) to have a direct method of comparison with similar galaxies. What is evident at the end of the paper is that the methods used to derive the physical quantities of the sources are consistent with each other, and these in turn are in good agreement with what is found in the literature.

Analisi di fattibilità di accumulatore di energia domestico a volano in accordo ai piani energetici nazionali per lo sviluppo sostenibile

Nel primo punto del capitolo seguente si propone una panoramica sulla decarbonizzazione del settore energetico e si discutono i principali provvedimenti europei avviati a tal fine. Si analizza lo scenario energetico italiano e le sue prospettive future; anche l’Italia deve impegnarsi in termini di energie rinnovabili e riduzione dei gas serra. Nel settore energetico nazionale sono comprese la produzione, la trasformazione e l’utilizzo di energia elettrica. In questa fase in particolare, si studiano i dati relativi alla fase di produzione. Inoltre, si studia la dipendenza energetica dell’Italia dalle fonti fossili estere. Di seguito saranno analizzati i piani energetici auspicabili per il 2030 e per il 2050. Nel secondo punto si passa poi all’analisi dei consumi, attraverso lo studio dei consumi medi e l’approfondimento sui consumi dei principali elettrodomestici. Nella prima sezione del capito che segue vengono analizzati i principali sistemi di accumulo di energia domestica con particolare enfasi riguardo i limiti applicativi. Le batterie a litio seppur relativamente economiche hanno un forte impatto ambientale che sarebbe ammortizzato utilizzando un nuovo modello di volano (MechSTOR). Nella seconda parte del capitolo, si esamina invece la fattibilità del modello di accumulo a volano. I costi del volano verrebbero ammortizzati dal guadagno relativo all’immissione in rete di energia elettrica? L’analisi in Simulink ha permesso di lavorare con i segnali di potenza, utilizzando le curve di carico domestico e la curva di produzione fotovoltaica al fine di studiare la convenienza economica della batteria a volano.

Una tecnica innovativa per il trattamento della fibrillazione atriale: ablazione non termica mediante elettroporazione

Attualmente, tutte le procedure di ablazione cardiaca per il trattamento delle aritmie si basano sull’uso di radiofrequenza e di cateteri per crioablazione. Nonostante l’evoluzione e i miglioramenti significativi nel design e nelle forme di erogazione dell’energia, sono state riscontrate svariate limitazioni, in particolar modo per quanto riguarda i danni termici collaterali ai tessuti vicini alla zona bersaglio. La terapia di ablazione a campo elettrico pulsato (PFA) rappresenta un approccio rivoluzionario per il trattamento di aritmie cardiache, specialmente per la fibrillazione atriale. Questa tecnica utilizza come fonte di energia l’elettroporazione, sistema in grado di creare un danno a livello della membrana cellulare, con una conseguente inattivazione delle cellule responsabili dell’aritmia. Grazie alla sua natura non termica e altamente specializzata per il tessuto miocardico, questa energia ha il grande vantaggio di essere più sicura ed efficiente rispetto ai convenzionali approcci di radiofrequenza e crioablazione, aprendo dunque una strada alternativa per il trattamento dei disturbi cardiaci.

Studio del comportamento in off-design di un sistema di accumulo energetico di tipo Power to Gas

Studio del comportamento in off-design di un sistema di accumulo energetico di tipo Power to Gas

Studio e progettazione di un impianto di riscaldamento radiante con lampade catalitiche alimentate a gas naturale a servizio di un capannone industriale

Oggetto di studio della tesi è la riqualificazione energetica di un capannone industriale. Dati gli elevati costi della materia prima combustibile, è stata sviluppata una soluzione che possa ridurre il consumo di gas naturale. Nel capannone sono attualmente installati dei sistemi costituiti da caldaie ed aerotermi. Il sistema studiato prevede invece l'impiego di lampade catalitiche. Esse sono dispositivi in grado di generare calore e scaldare gli oggetti circostanti tramite irraggiamento. L'impianto esistente lavora per convezione; data la grande volumetria del locale tale modalità di trasmissione del calore risulta poco efficiente. Nello studio vengono presentati vantaggi e criticità di entrambe le tecnologie. Particolare attenzione viene rivolta all'aspetto legato alla sicurezza, dato che le lampade catalitiche richiedono che la rete del gas cammini per alcuni tratti all'interno della struttura. A completamento dello studio è stata effettuata un'analisi tecnico-economica per valutare l'effettivo vantaggio del nuovo impianto. Durante ogni fase di verifica e progettazione è stata rispettata la normativa vigente.