Analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema micro-ORC

Con l’aumento del consumo mondiale di risorse energetiche del pianeta, è diventato sempre più necessario utilizzare sistemi energetici che sfruttino al meglio la fonte di energia che li alimenta. Una delle soluzioni in questo ambito è quella proposta dagli Organic Rankine Cycle (ORC). Questi sistemi recuperano energia termica altrimenti non utilizzabile per le temperature troppo basse e sfruttano sorgenti termiche con ampi range di temperatura. L’elaborato volge all’analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema Micro-ORC di piccola taglia, con rendimento termodinamico massimo dichiarato dal costruttore del 10 %. Inizialmente vengono descritti i fluidi organici e i sistemi che ne fanno uso, descrivendo anche esempi bibliografici di banchi prova per interpretare al meglio i risultati ottenuti con quello disponibile, che viene poi descritto, comprendendo i circuiti di asservimento dell’acqua calda e fredda, i punti di misura e il programma di acquisizione dati. Ci si concentra poi sulla descrizione e l’utilizzo dei codici implementati per l’elaborazione dei dati acquisiti. Questi hanno permesso di osservare gli andamenti temporali delle grandezze fondamentali per il sistema e valutarne la ripetibilità del comportamento nel corso di differenti prove. Vengono proposte infine le mappe di funzionamento per l’intero impianto e per i vari sotto-sistemi, offrendone un’interpretazione e inquadrandone i punti di lavoro ottimali. Attraverso la loro osservazione si sono dedotte le condizioni necessarie per avere un funzionamento ritenuto stabile del sistema ed è stato possibile ottimizzare le procedure svolte durante le fasi di test e di acquisizione dati. Sarà oggetto di studi futuri l’ottimizzazione dell’impianto, prolungando i tempi di esercizio a parità di carico elettrico e frequenza imposta alla pompa, con il fine di ottenere delle curve di prestazioni confrontabili con quelle presenti in bibliografia per altri sistemi ORC.

Performance studies of CMS workflows using Big Data technologies

Al Large Hadron Collider (LHC) ogni anno di acquisizione dati vengono raccolti più di 30 petabyte di dati dalle collisioni. Per processare questi dati è necessario produrre un grande volume di eventi simulati attraverso tecniche Monte Carlo. Inoltre l'analisi fisica richiede accesso giornaliero a formati di dati derivati per centinaia di utenti. La Worldwide LHC Computing GRID (WLCG) è una collaborazione interazionale di scienziati e centri di calcolo che ha affrontato le sfide tecnologiche di LHC, rendendone possibile il programma scientifico. Con il prosieguo dell'acquisizione dati e la recente approvazione di progetti ambiziosi come l'High-Luminosity LHC, si raggiungerà presto il limite delle attuali capacità di calcolo. Una delle chiavi per superare queste sfide nel prossimo decennio, anche alla luce delle ristrettezze economiche dalle varie funding agency nazionali, consiste nell'ottimizzare efficientemente l'uso delle risorse di calcolo a disposizione. Il lavoro mira a sviluppare e valutare strumenti per migliorare la comprensione di come vengono monitorati i dati sia di produzione che di analisi in CMS. Per questa ragione il lavoro è comprensivo di due parti. La prima, per quanto riguarda l'analisi distribuita, consiste nello sviluppo di uno strumento che consenta di analizzare velocemente i log file derivanti dalle sottomissioni di job terminati per consentire all'utente, alla sottomissione successiva, di sfruttare meglio le risorse di calcolo. La seconda parte, che riguarda il monitoring di jobs sia di produzione che di analisi, sfrutta tecnologie nel campo dei Big Data per un servizio di monitoring più efficiente e flessibile. Un aspetto degno di nota di tali miglioramenti è la possibilità di evitare un'elevato livello di aggregazione dei dati già in uno stadio iniziale, nonché di raccogliere dati di monitoring con una granularità elevata che tuttavia consenta riprocessamento successivo e aggregazione “on-demand”.

Radon 222 and Radium 226 measured on water bottle samples during POLARSTERN cruise ARK-XXVI/3 (TransArc)

Air-sea gas exchange plays a key role in the cycling of greenhouse and other biogeochemically important gases. Although air-sea gas transfer is expected to change as a consequence of the rapid decline in summer Arctic sea ice cover, little is known about the effect of sea ice cover on gas exchange fluxes, especially in the marginal ice zone. During the Polarstern expedition ARK-XXVI/3 (TransArc, August/September 2011) to the central Arctic Ocean, we compared 222Rn/226Ra ratios in the upper 50 m of 14 ice-covered and 4 ice-free stations. At three of the ice-free stations, we find 222Rn-based gas transfer coefficients in good agreement with expectation based on published relationships between gas transfer and wind speed over open water when accounting for wind history from wind reanalysis data. We hypothesize that the low gas transfer rate at the fourth station results from reduced fetch due to the proximity of the ice edge, or lateral exchange across the front at the ice edge by restratification. No significant radon deficit could be observed at the ice-covered stations. At these stations, the average gas transfer velocity was less than 0.1 m/d (97.5% confidence), compared to 0.5-2.2 m/d expected for open water. Our results show that air-sea gas exchange in an ice-covered ocean is reduced by at least an order of magnitude compared to open water. In contrast to previous studies, we show that in partially ice-covered regions, gas exchange is lower than expected based on a linear scaling to percent ice cover.

Analisi sperimentale del funzionamento di un sistema micro-ORC

Questa tesi tratta nello specifico lo studio di un impianto micro-ORC, capace di sfruttare acqua alla temperatura di circa 70-90°C come sorgente termica. Questo sistema presenta una potenza dichiarata dal costruttore pari a 3kW e un rendimento del 9%. In primo luogo, si descrivono le caratteristiche principali dei fluidi organici, in particolare quelle del freon R134a, impiegato nel banco prova. Vengono illustrati dettagliatamente l’impianto e la sensoristica utilizzata per le misurazioni delle varie grandezze fisiche. Tramite esse, con l’utilizzo di un programma di acquisizione dati appositamente relizzato in ambiente LabVIEW, è stato possibile calcolare in tempo reale tutti i parametri di funzionamento, necessari per la caratterizzazione del sistema. Per una veloce ed efficiente elaborazione dei dati registrati durante le prove in laboratorio, è stato realizzato un programma in linguaggio VBA. L’utilizzo di questo codice ha permesso, in primo luogo, di individuare e correggere eventuali errori di calcolo e acquisizione presenti in ambiente LabVIEW e, in secondo luogo, si è reso indispensabile per comprendere il funzionamento dell’impianto nelle varie fasi, come accensione, spegnimento e produzione di potenza. Sono state inoltre identificate le modalità di risposta del sistema al variare dei comandi impostabili dall’utente, quali il numero di giri della pompa e la variazione della temperatura della sorgente calda. Si sono poi osservate le risposte del sistema al variare delle condizioni esterne, come ad esempio la temperatura dell’acqua di condensazione. Una specifica prova è stata analizzata in questo elaborato. Durante tale prova il sistema ha lavorato in forte off-design, erogando una potenza elettrica pari a 255 W, raggiungendo un basso valore del rendimento (pari a 1.8%). L’analisi dei dati ha portato ad identificare nuovi limiti di funzionamento, legati ad esempio alla quantità di fluido interna al sistema.

Applicazioni tecnologiche e nuovi metodi di valutazione della performance negli sport acquatici

Nello sport di alto livello l’uso della tecnologia ha raggiunto un ruolo di notevole importanza per l’analisi e la valutazione della prestazione. Negli ultimi anni sono emerse nuove tecnologie e sono migliorate quelle pre-esistenti (i.e. accelerometri, giroscopi e software per l’analisi video) in termini di campionamento, acquisizione dati, dimensione dei sensori che ha permesso la loro “indossabilità” e l’inserimento degli stessi all’interno degli attrezzi sportivi. La tecnologia è sempre stata al servizio degli atleti come strumento di supporto per raggiungere l’apice dei risultati sportivi. Per questo motivo la valutazione funzionale dell’atleta associata all’uso di tecnologie si pone lo scopo di valutare i miglioramenti degli atleti misurando la condizione fisica e/o la competenza tecnica di una determinata disciplina sportiva. L’obiettivo di questa tesi è studiare l’utilizzo delle applicazioni tecnologiche e individuare nuovi metodi di valutazione della performance in alcuni sport acquatici. La prima parte (capitoli 1-5), si concentra sulla tecnologia prototipale chiamata E-kayak e le varie applicazioni nel kayak di velocità. In questi lavori è stata verificata l’attendibilità dei dati forniti dal sistema E-kayak con i sistemi presenti in letteratura. Inoltre, sono stati indagati nuovi parametri utili a comprendere il modello di prestazione del paddler. La seconda parte (capitolo 6), si riferisce all’analisi cinematica della spinta verticale del pallanuotista, attraverso l’utilizzo della video analisi 2D, per l’individuazione delle relazioni Forza-velocità e Potenza-velocità direttamente in acqua. Questo studio pilota, potrà fornire indicazioni utili al monitoraggio e condizionamento di forza e potenza da svolgere direttamente in acqua. Infine la terza parte (capitoli 7-8), si focalizza sull’individuazione della sequenza di Fibonacci (sequenza divina) nel nuoto a stile libero e a farfalla. I risultati di questi studi suggeriscono che il ritmo di nuotata tenuto durante le medie/lunghe distanze gioca un ruolo chiave. Inoltre, il livello di autosomiglianza (self-similarity) aumenta con la tecnica del nuoto.

The FOOT experiment: Trigger and Data Acquisition (TDAQ) development and data analysis

Hadrontherapy employs high-energy beams of charged particles (protons and heavier ions) to treat deep-seated tumours: these particles have a favourable depth-dose distribution in tissue characterized by a low dose in the entrance channel and a sharp maximum (Bragg peak) near the end of their path. In these treatments nuclear interactions have to be considered: beam particles can fragment in the human body releasing a non-zero dose beyond the Bragg peak while fragments of human body nuclei can modify the dose released in healthy tissues. These effects are still in question given the lack of interesting cross sections data. Also space radioprotection can profit by fragmentation cross section measurements: the interest in long-term manned space missions beyond Low Earth Orbit is growing in these years but it has to cope with major health risks due to space radiation. To this end, risk models are under study: however, huge gaps in fragmentation cross sections data are currently present preventing an accurate benchmark of deterministic and Monte Carlo codes. To fill these gaps in data, the FOOT (FragmentatiOn Of Target) experiment was proposed. It is composed by two independent and complementary setups, an Emulsion Cloud Chamber and an electronic setup composed by several subdetectors providing redundant measurements of kinematic properties of fragments produced in nuclear interactions between a beam and a target. FOOT aims to measure double differential cross sections both in angle and kinetic energy which is the most complete information to address existing questions. In this Ph.D. thesis, the development of the Trigger and Data Acquisition system for the FOOT electronic setup and a first analysis of 400 MeV/u 16O beam on Carbon target data acquired in July 2021 at GSI (Darmstadt, Germany) are presented. When possible, a comparison with other available measurements is also reported.

Progettazione e verifica delle prestazioni di un nuovo sistema di controllo per dinamometri idraulici

La messa a punto dei motopropulsori richiede una fase di test utilizzando un dinamometro, cioè una macchina che ne permette la misura di coppia e velocità. Sono diverse le tipologie di dinamometri, tutte sono però caratterizzate dalla necessità di essere gestite attraverso un opportuno controllore. Il presente lavoro di tesi, svolto presso Borghi&Saveri SRL, si pone l’obbiettivo di aggiornare il sistema di controllo di un dinamometro idraulico, lo “SFI”, sviluppando in particolare la parte di potenza, comunicante con la componente di controllo, già realizzata dall’azienda. La soluzione per la parte di potenza è un drive per il controllo di motori elettrici, scelto dopo una valutazione dei requisiti necessari, lo studio del vecchio sistema e un’analisi di mercato. Il motore elettrico posto sul dinamometro ha infatti il compito di muovere una valvola di gestione della portata d’acqua immessa, con conseguente regolazione della coppia. Il drive è stato messo in funzione realizzando un hardware per garantirne il funzionamento, per poi essere configurato e testato: è stata scelto il setup giudicato come ottimale dei parametri di controllo ed è stata impostata un’interfaccia per la comunicazione smart da PC, via CANopen. Si è poi realizzato un modello virtuale rappresentativo del sistema, validato con acquisizioni sperimentali. Infine, si sono confrontati i dati simulativi del modello con quelli sperimentali provenienti dal vecchio controllore, così da ottenere una valutazione delle rispettive performance nell’effettuare il controllo di posizione della valvola. Il sistema così realizzato soddisfa i requisiti posti, tuttavia le sue prestazioni non sono del tutto migliorative rispetto a quelle dello SFI: per questo sono valutati i punti deboli del progetto e proposti dei possibili sviluppi futuri.

Realizzazione in stampa 3D e calibrazione attraverso procedura semplificata di una sonda a 5 fori

Nella presente tesi vengono descritti i procedimenti di costruzione, di assemblaggio e di calibrazione di un tubo di Pitot a 5 fori per cercare una soluzione costruttiva facilmente replicabile e modificabile, mantenendo una buona affidabilità e testare un nuovo tipo di calibrazione che permetta di ridurre notevolmente i tempi di attesa per l'acquisizione dati. Vengono, quindi, in seguito, presentati i risultati ottenuti dalla calibrazione, fornendo commenti e consigli per migliorare l'intera procedura e ridurre l'errore.

Development of semiconductor metal oxide gas sensors for the detection of NO2 and H2S gases

One of the main challenges in the development of metal-oxide gas sensors is enhancement of selectivity to a particular gas. Currently, two general approaches exist for enhancing the selective properties of sensors. The first one is aimed at preparing a material that is specifically sensitive to one compound and has low or zero cross-sensitivity to other compounds that may be present in the working atmosphere. To do this, the optimal temperature, doping elements, and their concentrations are investigated. Nonetheless, it is usually very difficult to achieve an absolutely selective metal oxide gas sensor in practice. Another approach is based on the preparation of materials for discrimination between several analyte in a mixture. It is impossible to do this by using one sensor signal. Therefore, it is usually done either by modulation of sensor temperature or by using sensor arrays. The present work focus on the characterization of n-type semiconducting metal oxides like Tungsten oxide (WO3), Zinc Oxide (ZnO) and Indium oxide (In2O3) for the gas sensing purpose. For the purpose of gas sensing thick as well as thin films were fabricated. Two different gases, NO2 and H2S gases were selected in order to study the gas sensing behaviour of these metal oxides. To study the problem associated with selectivity the metal oxides were doped with metals and the gas sensing characteristics were investigated. The present thesis is entitled “Development of semiconductor metal oxide gas sensors for the detection of NO2 and H2S gases” and consists of six chapters.

El gas natural i els gasos del petroli : el món del petroli III. 'El gas natural y los gases del petroleo : el mundo del petroleo III'.

En el vídeo se explica com en muchos de los yacimientos hay cantidades importantes de gas de materia aislada, es el llamado gas natural. Este se compone básicamente de metano, junto con otras pequeñas cantidades de etano, propano y butano.

Highly resolved observations of trace gases in the lowermost stratosphere and upper troposphere from the SPURT project: an overview

During SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion, trace gas transport in the tropopause region) we performed measurements of a wide range of trace gases with different lifetimes and sink/source characteristics in the northern hemispheric upper troposphere (UT) and lowermost stratosphere (LMS). A large number of in-situ instruments were deployed on board a Learjet 35A, flying at altitudes up to 13.7 km, at times reaching to nearly 380 K potential temperature. Eight measurement campaigns (consisting of a total of 36 flights), distributed over all seasons and typically covering latitudes between 35° N and 75° N in the European longitude sector (10° W–20° E), were performed. Here we present an overview of the project, describing the instrumentation, the encountered meteorological situations during the campaigns and the data set available from SPURT. Measurements were obtained for N2O, CH4, CO, CO2, CFC12, H2, SF6, NO, NOy, O3 and H2O. We illustrate the strength of this new data set by showing mean distributions of the mixing ratios of selected trace gases, using a potential temperature-equivalent latitude coordinate system. The observations reveal that the LMS is most stratospheric in character during spring, with the highest mixing ratios of O3 and NOy and the lowest mixing ratios of N2O and SF6. The lowest mixing ratios of NOy and O3 are observed during autumn, together with the highest mixing ratios of N2O and SF6 indicating a strong tropospheric influence. For H2O, however, the maximum concentrations in the LMS are found during summer, suggesting unique (temperature- and convection-controlled) conditions for this molecule during transport across the tropopause. The SPURT data set is presently the most accurate and complete data set for many trace species in the LMS, and its main value is the simultaneous measurement of a suite of trace gases having different lifetimes and physical-chemical histories. It is thus very well suited for studies of atmospheric transport, for model validation, and for investigations of seasonal changes in the UT/LMS, as demonstrated in accompanying and elsewhere published studies.

Retrieval of trace gases vertical profile in the lower atmosphere combining. Differential Optical Absorption Spectroscopy with radiative transfer models

The motivation for the work presented in this thesis is to retrieve profile information for the atmospheric trace constituents nitrogen dioxide (NO2) and ozone (O3) in the lower troposphere from remote sensing measurements. The remote sensing technique used, referred to as Multiple AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS), is a recent technique that represents a significant advance on the well-established DOAS, especially for what it concerns the study of tropospheric trace consituents. NO2 is an important trace gas in the lower troposphere due to the fact that it is involved in the production of tropospheric ozone; ozone and nitrogen dioxide are key factors in determining the quality of air with consequences, for example, on human health and the growth of vegetation. To understand the NO2 and ozone chemistry in more detail not only the concentrations at ground but also the acquisition of the vertical distribution is necessary. In fact, the budget of nitrogen oxides and ozone in the atmosphere is determined both by local emissions and non-local chemical and dynamical processes (i.e. diffusion and transport at various scales) that greatly impact on their vertical and temporal distribution: thus a tool to resolve the vertical profile information is really important. Useful measurement techniques for atmospheric trace species should fulfill at least two main requirements. First, they must be sufficiently sensitive to detect the species under consideration at their ambient concentration levels. Second, they must be specific, which means that the results of the measurement of a particular species must be neither positively nor negatively influenced by any other trace species simultaneously present in the probed volume of air. Air monitoring by spectroscopic techniques has proven to be a very useful tool to fulfill these desirable requirements as well as a number of other important properties. During the last decades, many such instruments have been developed which are based on the absorption properties of the constituents in various regions of the electromagnetic spectrum, ranging from the far infrared to the ultraviolet. Among them, Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) has played an important role. DOAS is an established remote sensing technique for atmospheric trace gases probing, which identifies and quantifies the trace gases in the atmosphere taking advantage of their molecular absorption structures in the near UV and visible wavelengths of the electromagnetic spectrum (from 0.25 μm to 0.75 μm). Passive DOAS, in particular, can detect the presence of a trace gas in terms of its integrated concentration over the atmospheric path from the sun to the receiver (the so called slant column density). The receiver can be located at ground, as well as on board an aircraft or a satellite platform. Passive DOAS has, therefore, a flexible measurement configuration that allows multiple applications. The ability to properly interpret passive DOAS measurements of atmospheric constituents depends crucially on how well the optical path of light collected by the system is understood. This is because the final product of DOAS is the concentration of a particular species integrated along the path that radiation covers in the atmosphere. This path is not known a priori and can only be evaluated by Radiative Transfer Models (RTMs). These models are used to calculate the so called vertical column density of a given trace gas, which is obtained by dividing the measured slant column density to the so called air mass factor, which is used to quantify the enhancement of the light path length within the absorber layers. In the case of the standard DOAS set-up, in which radiation is collected along the vertical direction (zenith-sky DOAS), calculations of the air mass factor have been made using “simple” single scattering radiative transfer models. This configuration has its highest sensitivity in the stratosphere, in particular during twilight. This is the result of the large enhancement in stratospheric light path at dawn and dusk combined with a relatively short tropospheric path. In order to increase the sensitivity of the instrument towards tropospheric signals, measurements with the telescope pointing the horizon (offaxis DOAS) have to be performed. In this circumstances, the light path in the lower layers can become very long and necessitate the use of radiative transfer models including multiple scattering, the full treatment of atmospheric sphericity and refraction. In this thesis, a recent development in the well-established DOAS technique is described, referred to as Multiple AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS). The MAX-DOAS consists in the simultaneous use of several off-axis directions near the horizon: using this configuration, not only the sensitivity to tropospheric trace gases is greatly improved, but vertical profile information can also be retrieved by combining the simultaneous off-axis measurements with sophisticated RTM calculations and inversion techniques. In particular there is a need for a RTM which is capable of dealing with all the processes intervening along the light path, supporting all DOAS geometries used, and treating multiple scattering events with varying phase functions involved. To achieve these multiple goals a statistical approach based on the Monte Carlo technique should be used. A Monte Carlo RTM generates an ensemble of random photon paths between the light source and the detector, and uses these paths to reconstruct a remote sensing measurement. Within the present study, the Monte Carlo radiative transfer model PROMSAR (PROcessing of Multi-Scattered Atmospheric Radiation) has been developed and used to correctly interpret the slant column densities obtained from MAX-DOAS measurements. In order to derive the vertical concentration profile of a trace gas from its slant column measurement, the AMF is only one part in the quantitative retrieval process. One indispensable requirement is a robust approach to invert the measurements and obtain the unknown concentrations, the air mass factors being known. For this purpose, in the present thesis, we have used the Chahine relaxation method. Ground-based Multiple AXis DOAS, combined with appropriate radiative transfer models and inversion techniques, is a promising tool for atmospheric studies in the lower troposphere and boundary layer, including the retrieval of profile information with a good degree of vertical resolution. This thesis has presented an application of this powerful comprehensive tool for the study of a preserved natural Mediterranean area (the Castel Porziano Estate, located 20 km South-West of Rome) where pollution is transported from remote sources. Application of this tool in densely populated or industrial areas is beginning to look particularly fruitful and represents an important subject for future studies.

Caratteristiche innovative nell'acquisizione di dati di informatica forense in ambienti virtuali

Come risposta positiva alle richieste provenienti dal mondo dei giuristi, spesso troppo distante da quello scientifico, si vuole sviluppare un sistema solido dal punto di vista tecnico e chiaro dal punto di vista giurico finalizzato ad migliore ricerca della verità. L’obiettivo ci si prefigge è quello di creare uno strumento versatile e di facile utilizzo da mettere a disposizione dell’A.G. ed eventualmente della P.G. operante finalizzato a consentire il proseguo dell’attività d’indagine in tempi molto rapidi e con un notevole contenimento dei costi di giustizia rispetto ad una normale CTU. La progetto verterà su analisi informatiche forensi di supporti digitali inerenti vari tipi di procedimento per cui si dovrebbe richiedere una CTU o una perizia. La sperimentazione scientifica prevede un sistema di partecipazione diretta della P.G. e della A.G. all’analisi informatica rendendo disponibile, sottoforma di macchina virtuale, il contenuto dei supporti sequestrati in modo che possa essere visionato alla pari del supporto originale. In questo modo il CT diventa una mera guida per la PG e l’AG nell’ambito dell’indagine informatica forense che accompagna il giudice e le parti alla migliore comprensione delle informazioni richieste dal quesito. Le fasi chiave della sperimentazione sono: • la ripetibilità delle operazioni svolte • dettare delle chiare linee guida per la catena di custodia dalla presa in carico dei supporti • i metodi di conservazione e trasmissione dei dati tali da poter garantire integrità e riservatezza degli stessi • tempi e costi ridotti rispetto alle normali CTU/perizie • visualizzazione diretta dei contenuti dei supporti analizzati delle Parti e del Giudice circoscritte alle informazioni utili ai fini di giustizia