Progettazione di un impianto orc per il recupero energetico da fumi

Il crescente fabbisogno energetico mondiale, dovuto essenzialmente al rapido incremento di popolazione originatosi nel secolo scorso, unitamente alla necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica, porta a ricercare continuamente nuove fonti primarie di energia nonché metodi innovativi per il recupero di quest’ultima da materiali di scarto. I Cicli Rankine a fluido Organico (Organic Rankine Cycle) rappresentano in questo senso una tecnologia emergente capace di rivoluzionare il concetto di risparmio energetico. In questa tesi viene effettuato uno studio dettagliato della tecnologia ORC, che mira ad identificarne i principali vantaggi e le maggiori problematiche, con particolare riferimento ad un caso di studio concreto, riguardante l’installazione di un impianto di recupero energetico da fumi di combustione all’interno di uno stabilimento di produzione di nero di carbonio. Il cuore della tesi è rappresentato dall’individuazione e dall’analisi dettagliata delle alternative impiantistiche con cui il recupero energetico può essere realizzato. Per ognuna di esse, dopo una breve spiegazione, viene effettuato il calcolo dell’energia elettrica prodotta annualmente con l’ausilio un simulatore di processo. Successivamente vengono esposte le proposte ricevute dai fornitori interpellati per la fase di progettazione di base dell’impianto di recupero energetico. Nell’ultima parte della tesi viene presentata la simulazione fluidodinamica del camino di una delle linee di produzione dell’impianto di Ravenna, effettuata utilizzando un codice CFD e mirata alla verifica dell’effettiva quantità di calore recuperato dai fumi e dell’eventuale presenza di condense lungo la ciminiera. I risultati ottenuti mostrano che la tecnologia ORC, utilizzata per il recupero energetico in ambito industriale, possiede delle grosse potenzialità. La massimizzazione dei vantaggi derivanti dall’utilizzo di questi sistemi è tuttavia fortemente condizionata dalla capacità di gestire al meglio l’integrazione degli impianti di recupero all’interno dei processi produttivi esistenti.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente l'upgrade, la simulazione e il test di schede VME chiamate ReadOut Driver (ROD), che sono parte della catena di elaborazione ed acquisizione dati di IBL (Insertable B-Layer). IBL è il nuovo componente del Pixel Detector dell'esperimento ATLAS al Cern che è stato inserito nel detector durante lo shut down di LHC; fino al 2012 infatti il Pixel Detector era costituito da tre layer, chiamati (partendo dal più interno): Barrel Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Tuttavia, l'aumento di luminosità di LHC, l'invecchiamento dei pixel e la richiesta di avere misure sempre più precise, portarono alla necessità di migliorare il rivelatore. Così, a partire dall'inizio del 2013, IBL (che fino a quel momento era stato un progetto sviluppato e finanziato separatamente dal Pixel Detector) è diventato parte del Pixel Detector di ATLAS ed è stato installato tra la beam-pipe e il layer B0. Questa tesi fornirà innanzitutto una panoramica generale dell'esperimento ATLAS al CERN, includendo aspetti sia fisici sia tecnici, poi tratterà in dettaglio le varie parti del rivelatore, con particolare attenzione su Insertable B-Layer. Su quest'ultimo punto la tesi si focalizzerà sui motivi che ne hanno portato alla costruzione, sugli aspetti di design, sulle tecnologie utilizzate (volte a rendere nel miglior modo possibile compatibili IBL e il resto del Pixel Detector) e sulle scelte di sviluppo e fabbricazione. La tesi tratterà poi la catena di read-out dei dati, descrivendo le tecniche di interfacciamento con i chip di front-end, ed in particolare si concentrerà sul lavoro svolto per l'upgrade e lo sviluppo delle schede ReadOut Drivers (ROD) introducendo le migliorie da me apportate, volte a eliminare eventuali difetti, migliorare le prestazioni ed a predisporre il sistema ad una analisi prestazionale del rivelatore. Allo stato attuale le schede sono state prodotte e montate e sono già parte del sistema di acquisizione dati del Pixel Detector di ATLAS, ma il firmware è in continuo aggiornamento. Il mio lavoro si è principalmente focalizzato sul debugging e il miglioramento delle schede ROD; in particolare ho aggiunto due features: - programmazione parallela delle FPGA} delle ROD via VME. IBL richiede l'utilizzo di 15 schede ROD e programmandole tutte insieme (invece che una alla volta) porta ad un sensibile guadagno nei tempi di programmazione. Questo è utile soprattutto in fase di test; - reset del Phase-Locked Loop (PLL)} tramite VME. Il PLL è un chip presente nelle ROD che distribuisce il clock a tutte le componenti della scheda. Avere la possibilità di resettare questo chip da remoto permette di risolvere problemi di sincronizzazione. Le ReadOut Driver saranno inoltre utilizzate da più layer del Pixel Detector. Infatti oltre ad IBL anche i dati provenienti dai layer 1 e 2 dei sensori a pixel dell’esperimento ATLAS verranno acquisiti sfruttando la catena hardware progettata, realizzata e testata a Bologna.

Calcolo strutturale ed ottimizzazione sedile in materiale composito per elicottero ultraleggero

Il lavoro svolto consiste nel processo di ottimizzazione strutturale di un sedile in materiale composito per un elicottero ultraleggero, attraverso un processo iterativo di simulazione FEM e modifiche al progetto, interpretando i dati ricavati dalle simulazioni, nel rispetto della normativa FAR 27. I risultati ottenuti hanno permesso di dimezzare il peso iniziale e resistere meglio agli sforzi, con implicazioni benefiche anche sul costo finale del prodotto che presenta minori costi del materiale e tempi di lavorazione ridotti sia in fase di laminazione che in fase di ciclo di cura in autoclave.

Quantum simulation of (1+1)D QED via a Zn lattice Gauge theory

La simulazione di un sistema quantistico complesso rappresenta ancora oggi una sfida estremamente impegnativa a causa degli elevati costi computazionali. La dimensione dello spazio di Hilbert cresce solitamente in modo esponenziale all'aumentare della taglia, rendendo di fatto impossibile una implementazione esatta anche sui più potenti calcolatori. Nel tentativo di superare queste difficoltà, sono stati sviluppati metodi stocastici classici, i quali tuttavia non garantiscono precisione per sistemi fermionici fortemente interagenti o teorie di campo in regimi di densità finita. Di qui, la necessità di un nuovo metodo di simulazione, ovvero la simulazione quantistica. L'idea di base è molto semplice: utilizzare un sistema completamente controllabile, chiamato simulatore quantistico, per analizzarne un altro meno accessibile. Seguendo tale idea, in questo lavoro di tesi si è utilizzata una teoria di gauge discreta con simmetria Zn per una simulazione dell'elettrodinamica quantistica in (1+1)D, studiando alcuni fenomeni di attivo interesse di ricerca, come il diagramma di fase o la dinamica di string-breaking, che generalmente non sono accessibili mediante simulazioni classiche. Si propone un diagramma di fase del modello caratterizzato dalla presenza di una fase confinata, in cui emergono eccitazioni mesoniche ed antimesoniche, cioè stati legati particella-antiparticella, ed una fase deconfinata.

Modelli compartimentali per l'analisi di segnali ottenuti tramite DCE MRI per studi di perfusione epatica

Il presente lavoro di tesi si inserisce all'interno di uno studio dal titolo: "Strategia di posizionamento multi-step come approccio pragmatico per ridurre il rischio di encefalopatia epatica post-TIPS (shunt trans-giugulare porto-sistemico intraepatico) in pazienti cirrotici con ascite refrattaria". Il progetto di tesi si è concentrato sull'analisi dei segnali ottenuti tramite DCE MRI, con lo scopo di implementare in ambiente MatLab due modelli differenti (Dual input - Mono compartment e Dual input - Dual compartment) che descrivono la cinetica del tracciante all'interno del sistema vascolare epatico e valutare l'efficacia dei parametri di perfusione associati nella descrizione delle variazioni in termini di microcircolazione introdotte dall'inserimento del TIPS. Inizialmente si sono voluti valutare, tramite simulazione, gli effetti in termini di amplificazione del rumore e stima dei parametri perfusionali dell'approssimazione lineare nella conversione da intensità di segnale MR a concentrazione di mezzo di contrasto. Successivamente, sempre attraverso simulazioni, per entrambi i modelli considerati è stato scelto uno schema di model-fitting e quindi testata l'affidabilità in termini di accuratezza e precisione delle stime dei parametri ottenute in funzione del livello di rumore associato alle curve di intensità di segnale. Parallelamente all'implementazione dei modelli per la stima di parametri di perfusione, sono stati realizzati dei phantom con l'obiettivo di simulare il parenchima epatico prima e dopo l'arrivo del mezzo di contrasto e poter testare la sequenza utilizzata durante l'acquisizione dei dati su paziente. Infine sono stati considerati gli esami di DCE MRI effettuati su un campione di nove pazienti pre e post-TIPS, utilizzando per l'analisi dei segnali entrambi i modelli implementati in fase di simulazione e successivamente valutando le variazioni nel valori associati ai parametri di perfusione introdotte dall'inserimento del TIPS.

Realizzazione di un amplificatore lock-in digitale

Tra tutte le tecniche sviluppate per il recupero di segnali, i metodi basati sul principio di rilevazione sincrona, utilizzati dagli amplificatori lock-in, sono largamente i più usati in tutti i campi della ricerca scientifica. Gli amplificatori lock-in sono strumenti utilizzati per rilevare e misurare segnali in ambienti in cui il rumore di fondo può essere di diversi ordini di grandezza più grande del segnale che si intende misurare. In questo lavoro viene presentato un metodo per realizzare un amplificatore lock-in digitale su scheda hardware NI ELVIS II+ e software LabVIEW. In seguito viene descritto come, attraverso test opportuni, sono state analizzate le performance del sistema realizzato e sono state confrontate con i sistemi disponibili commercialmente. Infine, l’amplificatore lock-in realizzato è stato poi utilizzato in un esperimento di misura spettroscopica dell’energia di gap di un campione di Germanio per mezzo dell’effetto fotoelettrico interno.

Studio di cavità Fabry-Perot per laser ultrastabili

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di studiare il comportamento di un fascio laser interagente con un risonatore ottico, grazie al quale il laser può essere stabilizzato agganciando la sua frequenza di missione ad uno dei modi della cavità. In sintesi la lunghezza d’onda del fascio è vincolata ad assumere valori multipli della lunghezza della cavità, dato che in questo modo si possono decisamente migliorare le caratteristiche spettrali di un laser tipico. La stabilizzazione, e il restringimento di riga del laser, vengono effettuati agganciando la sua frequenza sul modo trasverso fondamentale tramite un sistema di feedback. La cavità è però soggetta a sua volta a fluttuazioni di tipo termico e meccanico. Una variazione in lunghezza del risonatore comporta una variazione in frequenza dei modi. Le derive di frequenza dovute agli effetti termici si possono limitare utilizzando materiali con bassa dilatazione termica posti in ambienti la cui temperatura viene stabilizzata tramite un sistema di feedback. Per le vibrazioni, invece, il lavoro è più complicato: non essendo sufficiente mettere il sistema in ambienti isolati per attenuare le fluttuazioni, è stato recentemente proposto di studiare la posizione migliore dei sostegni affinché le fluttuazioni, e quindi le conseguenti variazioni in lunghezza della cavità, risultino minime. Per analizzare questo problema è stato utilizzato un software open-source per l’analisi agli elementi finiti, Salome-Meca, tramite il quale è stata riprodotta la geometria del un risonatore ottico a nostra disposizione, per simularne il comportamento sotto l’effetto del campo gravitazionale. Da qui si sono ottenuti i dati riguardo lo spostamento degli specchi della cavità in funzione della posizione del sostegno, dai quali si è riuscito a trovare il punto di posizionamento del supporto capace di ridurre lo spostamento di un ordine di grandezza.

Sperimentazione di algoritmi di localizzazione per sorgenti acustiche

L'obiettivo di questo elaborato è quello di realizzare un sistema di acquisizione real-time e low cost, in grado di stimare la posizione di una sorgente sonora. Per acquisizione real-time si intende un sistema in grado di seguire gli spostamenti della sorgente audio nell'ambiente, limitando il più possibile i tempi di latenza fra un'acquisizione e l'altra. A tal fine si sfrutteranno due coppie di microfoni, che concorrereranno in maniera sequenziale alla stima dell'angolo di arrivo del suono (e quindi della retta su cui giace il punto di provenienza del suono). Combinando i dati raccolti dai quattro microfoni sarà dunque possibile risalire alla posizione di provenienza della sorgente sonora. Il software (implementato in MATLAB) verrà ampiamente discusso nei seguenti capitoli, il suo scopo sarà quello di gestire l'acquisizione dati, garantire il funzionamento real-time e fornire una stima di posizione della sorgente sonora, mostrando il relativo errore commesso durante la misura, nel caso in cui si conosca a priori la posizione della sorgente.

Sviluppo dell'interfaccia per il caricamento della geometria iniziale del propellente solido di un modello balistico

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione balistica di razzi a propellente solido, è volto alla creazione di un’interfaccia che permetta il caricamento delle geometrie dei motori desiderati, in formato SPP, nel codice di simulazione balistica ROBOOST come richiesto da Avio Spa. In particolare saranno descritte le procedure attraverso le quali tale interfaccia è stata realizzata e verranno analizzati i passaggi mediante i quali è possibile ottenere una mesh 3D del motore a propellente solido partendo dalla sua geometria in formato SPP. Si analizzerà inoltre il processo di chiusura di una mesh estratta da una qualsiasi iterazione della simulazione al fine di potervi effettuare delle simulazioni CFD sempre su richiesta della sopracitata azienda. Infine verranno mostrati e discussi i risultati ottenuti per meglio visualizzare il lavoro svolto.

Definizione del sistema di acquisizione e controllo di una sala prova motori

L’obiettivo della tesi è l’integrazione di alcuni dispositivi AVL e di un motore elettrico passo-passo lineare all’interno di un sistema di controllo e acquisizione dati per una sala prova motori. La sala prove in cui è svolto il lavoro è quella del laboratorio Hangar del Dipartimento di Ingegneria Industriale di Forlì. Inizialmente viene proposta una breve descrizione della sala prove; essa è divisa in una parte hardware, in cui vengono spiegati i principali device utilizzati per il controllo, e in una parte software, in cui vengono descritti i programmi utilizzati (LabView e TestIT). Successivamente, i capitoli centrali, si occuperanno dei componenti AVL e del motore lineare utilizzati in sala. Per quanto riguarda AVL i dispositivi da integrare sono la bilancia per il carburante 733s e lo smoke meter 415s. Si traccia quindi una descrizione degli impianti e si indicano i principi operativi. Entrambi sfruttano il linguaggio seriale, quindi si procede con la creazioni di un’interfaccia grafica in grado di convertire i comandi desiderati dall’utente in codice ASCII. Allo stesso modo viene affrontato il motore lineare NEMA. In questo caso il dialogo avviene tramite una connessione Ethernet. La parte centrale si conclude con un capitolo nel quale si spiega l’introduzione dei VI all’interno di TestIT e le problematiche che ne possono scaturire. Nell’appendice finale saranno descritte brevemente le connessioni pratiche e gli interventi di progettazione avvenuti per organizzare il rack.

Progetto preliminare e prove di vibrazione di un Cubesat

Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di studiare come un Cubesat 1U reagisce se sollecitato con vibrazioni di una certa banda di frequenze, corrispondenti a quelle generate durante il lancio del vettore VEGA, e cercare di sviluppare un modello virtuale che in futuro permetta di simulare in maniera più realistica il comportamento delle successive strutture che saranno progettate. Il campo dei nanosatelliti è in rapida espansione negli ultimi anni, bassi costi di produzione e lancio abbinati a tempi rapidi di sviluppo e progettazione li rendono un ottimo strumento per aziende di piccole dimensioni e università per aquisire esperienza nel campo delle tecnologie spaziali e permettere la formazione degli studenti. Grazie a questi fattori il corso di Ingegneria Aerospaziale di Forlì ha intrapreso la progettazione di un Cubesat che una volta ultimato potrà essere lanciato in orbita grazie al contributo dell’ESA, che si presta a fornire lanci gratuiti alle università europee. Questo progetto porta avanti il lavoro compiuto durante la fase di tirocinio in cui abbiamo cercato di progettare una struttura semplice e realizzabile completamente nei laboratori dell’università, che permettesse anche successivamente a studenti e dottorandi di cimentarsi nello studio e nella progettazione di un nanosatellite. Il mio compito in particolare consiste nell’esecuzione di una serie di prove sperimentali con uno shaker presente nei laboratori della Scuola e, raccogliendo, analizzando e interpretando la risposta della struttura, si cercherà di modificare il modello CAD realizzato finora (lavoro compiuto in un'altra tesi di laurea) in modo che rispecchi più fedelmente il comportamento di quello reale e fornire quindi una base ai futuri lavori in questo ambito. La struttura, ispirata a quelle già presenti sul mercato, è stata progettata utilizzando Solidworks un software CAD, successivamente è stata fatta un analisi tramite un altro software FEM, realizzato e poi testato mediante uno shaker presso i laboratori del corso di studi in ingegneria aerospaziale di Forlì. Per poter fare ciò si è anche realizzata quella che è stata usata come interfaccia per connettere il Cubesat allo shaker, infatti data la sua proprietà di esercitare spostamenti solo lungo l’asse verticale si è reso necessario trovare un modo per sollecitare il nanosatellite lungo tutti e tre gli assi per poter evidenziare i modi flessionali della struttura. I dati ottenuti riguardano le accelerazioni rilevate in vari punti del Cubesat e del supporto da parte di accelerometri piezometrici che sono stati analizzati per risalire al tipo di comportamento con cui ha risposto la struttura a vibrazioni di varia frequenza e intensità.

Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

Dispersione di sostanze odorigene nell'atmosfera e modellizzazione mediante software dedicato (un'applicazione del software LAPMOD)

Gli odori rappresentano uno degli elementi di disturbo che la popolazione avverte maggiormente e, anche nel caso in cui non siano associati a sostanze tossiche, sono causa di conflitti e di intolleranza, sia nei confronti delle aziende che li diffondono nel territorio, sia nella scelta del sito di localizzazione di nuovi impianti. La valutazione del disturbo olfattivo e la sua regolamentazione (esistono linee guida, ma non una legislazione di riferimento) rappresentano aspetti caratterizzati da elevata complessità, dal momento che l’inquinamento olfattivo è strettamente associato alla percezione umana. Nella tesi vengono valutate le emissioni odorigene e le relative immissioni, dovute ad un comparto per la gestione integrata dei rifiuti. Per caratterizzare le emissioni sono stati prelevati dei campioni di aria presso le principali sorgenti individuate e quantificate utilizzando la tecnica dell’olfattometria dinamica. Una volta caratterizzate le sorgenti, i dati di emissione ottenuti dalla campagna di misura e dall’analisi olfattometrica sono stati utilizzati come dati di input del modello LAPMOD (LAgrangian Particle MODel). LAPMOD è stato implementato con un modulo specifico per la determinazione delle concentrazioni massime orarie che utilizza un peak-to-mean variabile nel tempo, a differenza di altri modelli che usano un valore costante per la determinazione. Dall'elaborazione dei dati è emerso che, utilizzando il modulo specifico per gli odori, le concentrazioni come 98° percentile riferite al giorno tipico hanno un andamento opposto rispetto all’uso di un peak-to-mean costante. Dal confronto della simulazione in cui le emissioni sono indipendenti dalla variazione della portata di odore in funzione della velocità del vento, con quella che invece simula tale dipendenza (nelle sorgenti che presentano paratie laterali e tettoia) è emerso che la simulazione che mitiga completamente l’effetto del vento è più coerente con la realtà.

Valutazione numerica del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near edge"

Simulazione numerica con software Abaqus di impatti a bassa energia su laminati di fibra di carbonio con matrice epossidica per la previsione della formazione di delaminazioni interne. Confronto tra impatti centrali al provino e in prossimità del bordo.