Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Il trapianto di cuore: metodi e tecnologie per la conservazione ed il trasporto dell’ organo

Nel corso degli ultimi due decenni il trapianto di cuore si è evoluto come il gold standard per il trattamento dell’insufficienza cardiaca allo stadio terminale. Rimane un intervento estremamente complesso; infatti due sono gli aspetti fondamentali per la sua buona riuscita: la corretta conservazione e metodo di trasporto. Esistono due diversi metodi di conservazione e trasporto: il primo si basa sul tradizionale metodo di protezione miocardica e sul trasporto del cuore con utilizzo di contenitori frigoriferi, mentre il secondo, più innovativo, si basa sull’ utilizzo di Organ Care System Heart, un dispositivo appositamente progettato per contenere il cuore e mantenerlo in uno stato fisiologico normotermico attivo simulando le normali condizioni presenti all’interno del corpo umano. La nuova tecnologia di Organ Care System Heart permette un approccio completamente diverso rispetto ai metodi tradizionali, in quanto non solo conserva e trasporta il cuore, ma permette anche il continuo monitoraggio ex-vivo delle sue funzioni, dal momento in cui il cuore viene rimosso dal torace del donatore fino all’ impianto nel ricevente. Il motivo principale che spinge la ricerca ad investire molto per migliorare i metodi di protezione degli organi è legato alla possibilità di ridurre il rischio di ischemia fredda. Questo termine definisce la condizione per cui un organo rimane privo di apporto di sangue, il cui mancato afflusso causa danni via via sempre più gravi ed irreversibili con conseguente compromissione della funzionalità. Nel caso del cuore, il danno da ischemia fredda risulta significativamente ridotto grazie all’utilizzo di Organ Care System Heart con conseguenti benefici in termini di allungamento dei tempi di trasporto, ottimizzazione dell’organo e più in generale migliori risultati sui pazienti.

Trattamenti (dis)continui. Progetto di una nuova tipologia di macchina industriale per il trattamento superficiale continuo di prodotti farmaceutici.

Il progetto si concentra principalmente sullo studio formale e funzionale del carter di una nuova tipologia di macchina industriale per il trattamento superficiale (coating) continuo di prodotti famaceutici. I punti di interesse sono stati: la scelta del materiale, la forma del carter, l'interazione con l'utente, la visualizzazione della macchina finita, la proposta di un piano comunicativo e di una strategià d'identità del prodotto.

Ottimizzazione di mix design di geopolimeri a base di metacaolino e studio dei relativi processi di formatura

Il seguente lavoro di tesi si pone come obiettivo di ottimizzare il mix design di materiali geopolimerici a base di metacaolino in modo da ottimizzare il procedimento di formatura tramite pressatura tipico delle piastrelle ceramiche. La parte iniziale del lavoro sperimentale è stata incentrata sullo studio dell’ottimizzazione delle formulazioni per ottenere impasti geopolimerici a base di metacaolino idonei per la pressatura e il colaggio; sono stati quindi preparate diverse formulazioni ottenute variando diversi parametri di processo, quali il contenuto totale di acqua dell’impasto e la concentrazione di quarzo utilizzato come filler inerte. Su tali mix è stato individuato il processo di formatura più idoneo dal punto di vista di temperatura di consolidamento, modalità e tempi di cottura ed è stato messo a punto il procedimento ottimale per la preparazione dei materiali, procedimento che è stato poi mantenuto per l’intero decorso dello studio. Nella produzione degli impasti si è deciso di eliminare sistematicamente quelle formulazioni che avevano prodotto materiali con peggiori prestazioni fisiche, come alcune formulazioni testate per il colaggio. Successivamente, dopo avere preparato i campioni, su di essi sono state eseguite le prove di assorbimento d’acqua e porosimetria ad intrusione di mercurio, per valutare le caratteristiche fisiche dei vari impasti prodotti, osservazioni al microscopio ottico e al microscopio a scansione elettronica, per analizzare i campioni selezionati dal punto di vista microstrutturale e morfologico e prove al microscopio riscaldante, per studiarne il comportamento alle alte temperature. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto con quelli dei materiali ceramici tradizionali, per avere indicazioni sulla potenzialità dei prodotti a base geopolimerica come alternativa alla produzione di piastrelle ceramiche.

Ottimizzazione e progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

La presente trattazione descrive l’ottimizzazione del prototipo di un generatore termoelettrico da integrare in caldaie a biomassa. La tecnologia termoelettrica consente di generare potenza elettrica a partire da un flusso di calore. Sebbene tale tecnologia presenti caratteristiche di elevata affidabilità e silenziosità, essa richiede ulteriori sforzi tecnologici nella ricerca dell’integrazione ottimale con un impianto termico, ed è inoltre necessaria una progettazione accurata dell’elettronica di controllo. Nella prima sezione del testo vengono descritti i principi fisici alla base di questa tecnologia e le tecniche per la conversione della potenza generata dai moduli termoelettrici (o ad effetto Seebeck) al fine di renderla fruibile da una tipica utenza domestica. Nel secondo capitolo si riporta lo stato dell’arte dell’applicazione della tecnologia termoelettrica in caldaie a biomassa e alcuni casi di implementazione recenti, sottolineando le configurazioni utilizzate, i principali problemi riscontrati nello sviluppo e nella sperimentazione, e le modifiche conseguentemente adottate per superarli. Il terzo capitolo analizza il prototipo sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e descrive il processo di dimensionamento dei componenti meccanici e le proposte di ottimizzazione a seguito dei risultati dei primi collaudi. Viene infine sviluppato un modello matematico per confrontare, in funzione dei costi di produzione e di esercizio, le possibilità di sostituzione dei metodi di generazione di energia elettrica convenzionali con l’impianto di cogenerazione termoelettrica realizzato, considerando anche aspetti di impatto ambientale. Tali analisi e ottimizzazioni consistono in un primo miglioramento necessario a rendere la tecnologia termoelettrica applicabile alle caldaie a biomassa stand-alone e a permettere una generazione continua di energia elettrica nelle regioni in cui le infrastrutture sono poco affidabili.

Ottimizzazione della forma di un dirigibile non convenzionale mediante algoritmo euristico

La tesi presenta un'attività di ottimizzazione per forme di dirigibili non convenzionali al fine di esaltarne alcune prestazioni. Il loop di ottimizzazione implementato comporta il disegno automatico in ambiente CAD del dirigibile, il salvataggio in formato STL, la elaborazione del modello al fine di ridurre il numero di triangoli della mesh, la valutazione delle masse aggiunte della configurazione, la stima approssimata dell'aerodinamica del dirigibile, ed infine il calcolo della prestazione di interesse. Questa tesi presenta inoltre la descrizione di un codice di ottimizzazione euristica (Particle Swarm Optimization) che viene messo in loop con il precedente ciclo di calcolo, e un caso di studio per dimostrare la funzionalità della metodologia.

Analisi e ottimizzazione del flusso di approvvigionamento in una produzione su commessa: il caso CT Pack S.r.l.

La tesi ha l'obiettivo di analizzare e ottimizzare i flussi di approvvigionamento in un'azienda che produce su commessa: CT Pack S.r.L, specializzata nella realizzazione di macchine automatiche per il packaging di biscotti, gelato e cioccolato. Per raggiungere l'obiettivo si è preso come riferimento il modello proposto dal BPR (Business Process Reengineering): sono stati analizzati i principali attori coinvolti, in particolare fornitori e magazzino, mediante l'uso di KPI definiti ad hoc. Sulla base di questi sono stati individuati due processi critici: il primo riguarda la gestione del magazzino, che presenta un'elevata quantità di codici non movimentati anche a causa del processo di gestione del materiale avanzato al termine di ciascuna commessa; il secondo riguarda il materiale a consumo, che impiega i magazzinieri per un tempo eccessivo, è caratterizzato da giacenze per il 30% non movimentate e da supermarket collocati in officina ridondanti e caratterizzati da bassi tassi di utilizzo (anche sotto il 50%). Per risolvere questi problemi ed effettuare una riprogettazione si fa affidamento agli strumenti proposti dal project management: si imposta quindi un progetto che ha l'obiettivo di ridurre nel breve periodo il valore di magazzino mediante lo smaltimento attraverso diverse vie di codici non utilizzati e agisce nel lungo periodo per evitare che le criticità si ripropongano. Mediante la riprogettazione della gestione dei resi di produzione si prevede un maggior controllo, grazie al lavoro congiunto di ufficio tecnico e ufficio acquisti. La nuova gestione del materiale a consumo ha in se alcune delle tecniche proposte dalla lean production (il kanban, per esempio) e integra il fornitore nella catena di approvvigionamento, garantendo un maggior controllo sulle quantità, un risparmio di circa 7 h/mese di lavoro per i magazzinieri e una riduzione delle giacenze del 46%.

Sviluppo e ottimizzazione di un velivolo senza pilota

L’obiettivo di questo trattato è lo studio di un aeromobile militare a pilotaggio remoto (APR), volto ad una sua conversione per usi prettamente civili: il velivolo in questione è il Predator Canard-Long. Tale studio è basato sulle problematiche dovute alla sostituzione del propulsore originale Rotax 914 (4 cilindri da 115 CV del peso di 95 kg) con un Peugeot HDi Fap (4 cilindri da 175 CV del peso di 240 kg). L’aeromobile in questione dovrà svolgere compiti di monitoraggio e sorveglianza di siti archeologici, dunque si richiederà un alto livello di autonomia affinché le missioni vengano svolte nel modo più efficiente possibile. Preso un modello pre-esitente, costruito al CAD tramite il software Solidworks2016, è stato studiato il comportamento del velivolo tramite simulazioni CFD. Data l’insufficienza della portanza a causa dell’aggiunta di peso dovuta alla rimotorizzazione, sono state provate diverse soluzioni atte a colmare lo scompenso. Scelta come soluzione migliore l’installazione di alette canard e la modifica del profilo aerodinamico, è stato infine necessario verificare che la risposta ai comandi dell’aeromobile modificato soddisfacesse le richieste desiderate.

Studio e ottimizzazione di un ramjet avanzato

L'oggetto della seguente tesi riguarda lo studio e l'ottimizzazione di un ramjet avanzato, in particolare è stata studiata la parte dedicata all'alimentazione di tipo pulsante per la spinta a punto zero tramite simulazioni fluidodinamiche.

Dimensionamento di un magazzino ricambi ed ottimizzazione dei flussi logistici ed informativi per la manutenzione: il caso Geberit Produzione Spa

Il contesto dinamico in cui operano le aziende richiede, sempre più, sistemi di gestione flessibili e in continua evoluzione, e soprattutto richiede che le varie funzioni aziendali siano integrate tra loro. Così anche la funzione di manutenzione, la quale nei tempi passati, era considerata una funzione di supporto alla produzione, ora è vista come parte integrante della stessa. Pertanto è necessario che la gestione dei flussi logistici ed informativi relativi ai processi di manutenzione, siano il più possibile efficace ed efficienti, al fine di ridurre i costi complessivi sostenuti dall’azienda. L’elaborato tratta del dimensionamento di un magazzino ricambi e della relativa gestione operativa ed informativa, applicati ad un caso aziendale. Geberit Produzione Spa ha la necessità di migliorare i flussi della gestione manutentiva totale, andando a correggere le criticità rilevate nel sistema attuale. Il dimensionamento è sviluppato sulla base delle informazioni raccolte dal campo, le quali permettono di individuare la quantità ottimale di ricambi, che minimizzi da un lato i costi di mantenimento a scorta e dall’altro i costi dovuti alla mancanza dei ricambi nel momento necessario. Secondo le tipologie di materiale tecnico presenti, sono individuate le modalità di immagazzinamento e i mezzi di movimentazione più idonei, ed in base a questi viene definito il layout definitivo. Sono, poi, determinati i criteri di gestione dei flussi logistici e di informatizzazione dei processi, al fine di descrivere delle procedure standard che regolino l’operato del personale. Scelti gli indici di valutazione delle performance della manutenzione, è stata valutata la convenienza economica della realizzazione del progetto. Con questo studio vengono definite le fondamenta per una efficace ed efficiente gestione futura della manutenzione.

Applicazione della tempra laser nel trattamento di pulegge in ghisa sferoidale

Nel seguente elaborato viene trattato il tema dell'applicabilità della tempra laser sulla ghisa perlitica sferoidale, al fine di incrementarne la resistenza ad usura e di ridurre i tempi di lavorazione, rispetto ai metodi tradizionali di tempra. All'introduzione sulla tecnologia laser e sul suo uso in ambito industriale, seguono una dettagliata presentazione dei test di laboratorio effettuati e un'analisi dei dati ricavati, con l'obiettivo di trovare la metodologia di trattamento migliore per raggiungere i risultati desiderati.

Analisi e valutazione delle proprietà termiche dello speciale trattamento di anodizzazione G.H.A.

L'argomento principale di questo elaborato è l'analisi delle proprietà termiche del G.H.A .(Golden Hard Anodizing), ovvero un particolare trattamento di trasformazione superficiale dell'alluminio. Nello specifico è stato studiato tramite confronto con la conducibilità termica, la diffusività e l’emissività termica. Per ottenere tali dati sono state svolte prove sperimentali in modo da avere un chiara visione dell'entità di tali proprietà e metterle a confronto con quelle dell'alluminio base e dell'alluminio anodizzato.

Ottimizzazione della reazione di Fenton mediante l’utilizzo di un sistema automatico di reazione

The research presented in this dissertation is aimed to the automation of the Fenton process. The Fenton reaction is finalized to the waste water pre-treatment in order to promote the abatement of the organic contaminants and make it more degradable. Reagents adopted are constituted by a mixture of iron ions and hydrogen peroxide and their effect is strictly influenced by several variables, such as: the reagents molar ratio and their quantities counterpoised to the substrate, temperature, pH, agitation, etc. Therefore, the optimization is far from being considered an easy procedure. The research was carried out using a batch configuration, through which the optimal [Fe2+]/[H2O2] and [substrate]/[H2O2] ratios were identified. Then, in order to improve the process, a semibatch configuration was performed. The preliminary results show that is possible to obtain a greater abatement efficiency for high organic burden using the semibatch configuration here proposed.

Detezione dei parametri temporali tramite sensori inerziali nello sprint: ottimizzazione e confronto di algoritmi proposti in letteratura per la corsa

In questo studio sono stati analizzati ed ottimizzati alcuni algoritmi proposti in letteratura per la detezione dei parametri temporali della corsa, con l'obiettivo di determinare quale, fra quelli proposti, sia il più affidabile per il suo utilizzo nell'analisi dello sprint. Per fare ciò, sono state condotte delle acquisizioni outdoor su cinque atleti differenti, utilizzando tre sensori inerziali IMU EXL-s3 (EXEL S.r.l., Bologna) con frequenza di acquisizione a 200 Hz, posizionati sul dorso dei due piedi e sul tronco (schiena, livello L1). Gli algoritmi confrontati sono stati sviluppati in ambiente MATLAB (MathWorks Inc., USA) e sono stati riferiti al gold standard di telecamera a 250 fps analizzando, per ciascuno, i limits of agreement. L'algoritmo implementato da Bergamini et al. (si veda l'articolo 'Estimation of temporal parameters during sprint running using a trunk-mounted inertial measurement unit') è risultato il migliore, con un bias di circa 0.005 s e limits of agreement entro gli 0.025 s fra i dati da sensore e il riferimento video, dati questi che confermano anche i risultati ottenuti da Bergamini et al.

Rapporto tecnico sulla ottimizzazione del processo di biosintesi di una Green Fluorescent Protein ricombinante estratta da A. sulcata

L’espressione di geni eterologhi in Escherichia coli rappresenta uno dei metodi più veloci, semplici ed economici per la produzione di ampie quantità di proteine target. Tuttavia, meccanismi di folding e le modifiche post traduzionali inducono a volte un non corretto ripiegamento delle proteine nella conformazione nativa, con successiva aggregazione in quelli che vengono definiti corpi di inclusione. Nel nostro caso, l’attenzione è stata focalizzata su una Green Fluorescent Protein (GFP) di 228 aa estratta da Anemonia sulcata, contenente un fluoroforo composto da tre amminoacidi Gln63, Tyr64, Gly65 all'interno di una struttura a barile. Il corretto folding della proteina era correlato strettamente alla funzionalità del fluoroforo. Il nostro obiettivo è stato quello, quindi, di ottimizzare il processo di biosintesi della GFP espressa in E. coli, ovviando alla formazione di corpi di inclusione contenenti la proteina (non funzionale), definendo e standardizzando inoltre, le condizioni che consentivano di produrre la più alta percentuale di GFP correttamente ripiegata (in condizioni non denaturanti) e quindi funzionale.