i sistemi di gestione dell’energia e la previsione dei consumi in ambito industriale ai sensi della norma uni cei en iso 50001

La Tesi nasce a seguito della richiesta da parte di un’Azienda Socia del Consorzio Esperienza Energia di un servizio di supporto per l’ottimizzazione del proprio Sistema di Gestione dell’Energia (SGE/EnMS) ed in particolare per l’implementazione di metodologie di budgeting più efficienti rispetto a quelle attualmente utilizzate. Questo lavoro di Tesi si è sviluppato in due parti: Nella prima parte viene descritto, a livello generale, che cosa si intende per Sistema di Gestione dell’Energia o Energy Management System e quali sono i vantaggi nell’implementazione di tale sistema in una realtà industriale. Successivamente, viene presentata la norma “UNI CEI EN ISO 50001: Sistemi di Gestione dell’Energia – Requisiti e linee guida per l’uso” attraverso una breve introduzione su quelli che sono i requisiti e gli obiettivi descritti nella norma. Nella seconda parte viene descritta l’implementazione pratica di un SGE presso un’Azienda Socia di CEE, partendo dalla raccolta sia dei dati di consumo a livello globale (LIVELLO A) che a livello di Edificio (LIVELLO B), sia dall'individuazione dei principali Energy Drivers (parametri) che veicolano i consumi. Attraverso questi dati è stato creato un Modello di calcolo per la definizione dei consumi di Riferimento (Energy Baseline); tale Baseline traccia i dati di prestazione energetica da cui si parte per andare a costruire per l’azienda i principali Indicatori Energetici (EnPI, Energy Performance Indicators). Il modello energetico così costruito è stato quindi tarato sui consumi energetici misurati al fine di fornire all'Azienda un algoritmo di stima dei propri consumi energetici futuri, sia mensili che annuali. Il processo di taratura ha dimostrato come il modello energetico dell’azienda che è stato costruito in questa Tesi sia da ritenersi uno strumento affidabile per la previsione dei consumi energetici futuri ipotizzando un certo livello di produzione industriale nel corso dell’anno oggetto di simulazione.

Analisi Pressure Driven di un distretto della rete di distribuzione idrica della città di Rapallo

La metodologia convenzionalmente adottata per l’analisi e progettazione di reti acquedottistiche è la Demand Driven (DD), ovvero un’analisi guidata dalla domanda idrica dell’utenza che viene imposta, dal punto di vista matematico, nelle equazioni del modello idraulico; la struttura di risoluzione matematica di tale approccio è costituita dalle sole equazioni di continuità e del moto, le cui incognite sono i carichi idraulici da garantire per soddisfare la richiesta idrica (dato noto). Purtroppo la DD non è in grado di simulare, in modo ottimale, scenari in cui le pressioni in rete risultano essere inferiori rispetto a quelle richieste per un servizio di erogazione corretto. Dunque, per una completa analisi di una rete di distribuzione idrica, è utile adottare la metodologia Pressure Driven (PD), che si basa sullo stesso modello matematico utilizzato per l’analisi DD al quale viene aggiunta un’equazione che lega la portata erogata alle utenze e la perdita idrica al carico idraulico disponibile in corrispondenza dei nodi. In questo caso un ulteriore dato incognito, oltre al carico idraulico nei nodi ed alla portata nelle condotte della rete, risulta essere la portata effettivamente prelevata ai nodi oppure persa (leakage) dalla rete. Il presente lavoro di tesi ha portato alla calibrazione del modello di un distretto della rete di distribuzione idrica della città di Rapallo. Le simulazioni sono state eseguite attraverso il codice InfoWorks applicando sia la Demand Driven Analysis che risulta funzionale per l’ottenimento del modello calibrato, sia la Pressure Driven Analysis che non agisce sul bilancio complessivo della rete, ma interviene localmente nelle zone in cui le problematiche di funzionamento riscontrate riguardano le pressioni

Progettazione, ottimizzazione e sviluppo di un sistema WOPI (Water Out Pressure In) per airbox

Un airbox deve fornire al motore sia aria pura, ovvero priva di particelle estranee (motivo per cui al suo interno viene collocato un elemento filtrante), che priva di gocce d’acqua, la cui presenza è possibile sia a causa della condensazione dell’umidità dell’aria aspirata, sia, in volume anche maggiore, in caso di pioggia, aspetto su cui si focalizzerà questo elaborato. Attualmente, per eliminare la presenza di queste particelle d’acqua, vengono praticati fori, più o meno grandi, sulla parete dell’airbox. Questa semplice tecnica, permette di eliminarla, ma causa anche una depressurizzazione. Per contrastare questo fenomeno, è già noto l’utilizzo di condotti elastici, normalmente chiusi o semichiusi, che, nel frattempo, permettono la lenta discesa gravitazionale dell’acqua. Questo sistema, però, non è in grado di sigillare il foro di scolo, provocando quindi anch’esso un calo della pressurizzazione del box. Inoltre, esso potrebbe intasarsi, rendendo inefficace lo scolo. In più, nel tempo, potrebbe sopraggiungere una perdita di elasticità, causando un peggioramento della funzionalità. Scopo del WOPI è eliminare tutti i precedenti inconvenienti nel modo più efficiente possibile.

Effective procedure for the optimization of the linear controller in an industrial drive for a nonlinear mechanism

Il progetto di tesi è incentrato sull’ottimizzazione del procedimento di taratura dei regolatori lineari degli anelli di controllo di posizione e velocità presenti negli azionamenti usati industrialmente su macchine automatiche, specialmente quando il carico è ad inerzia variabile in dipendenza dalla posizione, dunque non lineare, come ad esempio un quadrilatero articolato. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l’azienda G.D S.p.A. ed il meccanismo di prova è realmente utilizzato nelle macchine automatiche per il packaging di sigarette. L’ottimizzazione si basa sulla simulazione in ambiente Matlab/Simulink dell’intero sistema di controllo, cioè comprensivo del modello Simulink degli anelli di controllo del drive, inclusa la dinamica elettrica del motore, e del modello Simscape del meccanismo, perciò una prima necessaria fase del lavoro è stata la validazione di tali modelli affinché fossero sufficientemente fedeli al comportamento reale. Il secondo passo è stato fornire una prima taratura di tentativo che fungesse da punto di partenza per l’algoritmo di ottimizzazione, abbiamo fatto ciò linearizzando il modello meccanico con l’inerzia minima e utilizzando il metodo delle formule di inversione per determinare i parametri di controllo. Già questa taratura, seppur conservativa, ha portato ad un miglioramento delle performance del sistema rispetto alla taratura empirica comunemente fatta in ambito industriale. Infine, abbiamo lanciato l’algoritmo di ottimizzazione definendo opportunamente la funzione di costo, ed il risultato è stato decisamente positivo, portando ad un miglioramento medio del massimo errore di inseguimento di circa il 25%, ma anche oltre il 30% in alcuni casi.

Investigation of novel methodologies for the MCNP geometry preparation: application on the Upper Launcher BSM of ITER

La tesi si divide in due macroargomenti relativi alla preparazione della geometria per modelli MCNP. Il primo è quello degli errori geometrici che vengono generati quando avviene una conversione da formato CAD a CSG e le loro relazioni con il fenomeno delle lost particles. Il passaggio a CSG tramite software è infatti inevitabile per la costruzione di modelli complessi come quelli che vengono usati per rappresentare i componenti di ITER e può generare zone della geometria che non vengono definite in modo corretto. Tali aree causano la perdita di particelle durante la simulazione Monte Carlo, andando ad intaccare l' integrità statistica della soluzione del trasporto. Per questo motivo è molto importante ridurre questo tipo di errori il più possibile, ed in quest'ottica il lavoro svolto è stato quello di trovare metodi standardizzati per identificare tali errori ed infine stimarne le dimensioni. Se la prima parte della tesi è incentrata sui problemi derivanti dalla modellazione CSG, la seconda invece suggerisce un alternativa ad essa, che è l'uso di Mesh non Strutturate (UM), un approccio che sta alla base di CFD e FEM, ma che risulta innovativo nell'ambito di codici Monte Carlo. In particolare le UM sono state applicate ad una porzione dell' Upper Launcher (un componente di ITER) in modo da validare tale metodologia su modelli nucleari di alta complessità. L'approccio CSG tradizionale e quello con UM sono state confrontati in termini di risorse computazionali richieste, velocità, precisione e accuratezza sia a livello di risultati globali che locali. Da ciò emerge che, nonostante esistano ancora alcuni limiti all'applicazione per le UM dovuti in parte anche alla sua novità, vari vantaggi possono essere attribuiti a questo tipo di approccio, tra cui un workflow più lineare, maggiore accuratezza nei risultati locali, e soprattutto la possibilità futura di usare la stessa mesh per diversi tipi di analisi (come quelle termiche o strutturali).

Fibre naturali nel settore dei compositi: confronto fibre di lino vs. fibre di carbonio

I materiali compositi possiedono proprietà funzionali e di resistenza sempre più performanti grazie alla natura dei rinforzanti in fibra di carbonio, i quali però sono caratterizzati da criticità relative al processo di trasformazione altamente energivoro e dispendioso, all’inquinamento collegato alla produzione delle fibre e al trattamento di sizing, nonché alla difficoltà nello stadio di separazione dei costituenti del manufatto composito e del conseguente riciclo. A causa di queste problematiche sono stati introdotti in produzione materiali a matrice epossidica rinforzata con fibre di lino. Lo studio è stato indirizzato verso la caratterizzazione delle materie prime che compongono i manufatti, quindi fibre e semilavorati, mediante analisi termiche dinamiche in DSC e TGA con il fine di determinare la composizione e resistenza dei singoli componenti e la misura della variazione nel comportamento quando sono uniti per comporre i prepreg. Sono state eseguite delle prove di igroscopicità, umidità e densità per ottenere una panoramica precisa sulle differenze nella struttura delle fibre in carbonio e lino che le differenzia in modo apprezzabile. Sono stati laminati compositi reticolati secondo tecnologia in autoclave, le cui proprietà sono state definite mediante prove termiche dinamiche in DSC, TGA, DMA, prove alla fiamma mediante conocalorimetro, prove fisiche di igroscopicità, umidità e densità, prove ottiche al SEM in seguito ad una rottura in trazione. Parte del progetto seguito è stato direzionato all’ottimizzazione del ciclo produttivo in autoclave. La simulazione del nuovo ciclo di cura industriale, RAPID, è stata eseguita per valutare la variazione della Tg finale e il grado di curing, nonché le proprietà termiche e meccaniche già valutate nel ciclo di cura, STANDARD.

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi, con riferimento alle normative vigenti, ed alla situazione esistente in termini di progettazione e realizzazione.

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo è analizzare profili di velocità, temperatura, densità, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilità di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilità di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si è descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocità corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

Valutazione della applicazione del ciclo Miller a motori a benzina ad iniezione diretta ad alta potenza specifica

Negli ultimi decenni nuove e sempre più restrittive normative antiinquinamento son state introdotte nei paesi maggiormente industrializzati dettando un aumento degli sforzi progettuali imposti all’industria automobilistica per cercare di contenere l’impatto ambientale esercitato dai motori a combustione interna. E’ evidente quindi l’importanza di possedere una profonda conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che influenzano i processi di combustione così come avere a disposizione modelli quanto più accurati per la loro corretta rappresentazione tramite CFD. Per i motori ad accensione comandata gli studi si sono focalizzati sulla ricerca dell’efficienza evitando di incorrere in rischi di detonazione. Numerose sono le tecnologie che permettono di assolvere alle funzioni richieste, tra le più affermate vi sono i sistemi a fasatura variabile, in particolare le strategie che prendono il nome di ciclo Miller. Tale sistema, implementabile facilmente senza l’utilizzo di alcun sistema aggiuntivo, permette di ridurre sensibilmente temperature e pressioni in camera. Il seguente lavoro di tesi studierà, attraverso simulazione numerica tridimensionale condotta con software CONVERGE®, gli aspetti fisici e fluidodinamici indotti dalle diverse strategie REF, EIVC e LIVC applicate ad un motore GDI con tecnologia downsizing e turbocharging (modellato in ambiente CAD, tramite PTC CREO®). Successivamente, allo stesso motore, saranno apportate modifiche progettuali con lo scopo di comprendere in che modo un aumento di un punto del rapporto di compressione, che equivale a spostarsi verso zone a prestazioni più elevate, impatti sull’entità di pressione, temperatura e comportamento fluidodinamico e fisico a pari condizioni operative e di alzata. L’analisi ed il confronto con gli altri casi sancirà se questa nuova configurazione possa essere accettabile o rischiosa ai fini della detonazione.

Modellazione numerica del sistema di distribuzione idrica di Cesena

Nel presente elaborato di tesi si esporranno le fasi di costruzione ed i risultati del modello idraulico del sistema di distribuzione idrica della città di Cesena, comprendente tutta l’area cittadina e la zona di pianura a nord-ovest adiacente. Il caso di studio è stato reso disponibile dal gestore del Servizio idrico integrato nel territorio Hera S.p.A. Il modello numerico è stato implementato utilizzando il programma Infoworks® WS di HR Wallingford per la progettazione e gestione delle reti idriche. La realizzazione di un modello idraulico richiede la conoscenza topologica della rete e del suo funzionamento, nonché informazioni sul consumo idrico, fondamentali per la determinazione della domanda idrica. Essa comprende il consumo idropotabile delle utenze e la perdita idrica. Per le elaborazioni sono stati utilizzati i programmi open source QGis e RStudio. La variabilità del consumo è stata rappresentata attraverso una curva costruita sulla base del bilancio idrico della rete, mentre quella della perdita attraverso un pattern basato sul metodo del Minimum Night Flow. Compiuta la prima simulazione su un periodo di 7 giorni e ottenuti i primi risultati, si sono rese necessarie delle operazioni di calibrazione eseguite confrontando i dati risultanti dal modello con quelli misurati sul campo. Uno dei vantaggi di un modello numerico è quello di poter indagare le grandezze idrauliche in ogni punto della rete. È stato, infatti, possibile creare vere e proprie mappe tematiche che illustrano la variazione delle grandezze di interesse al variare dello spazio e del tempo. Un altro vantaggio è quello di poter prevedere il comportamento della rete in seguito a delle modifiche. Si è potuto, infatti, applicare lo strumento modellistico ad un’ipotesi di distrettualizzazione del sistema.

Analisi dinamica e verifica di un prototipo di macchina automatica per la realizzazione di batterie

Lo scopo di questa tesi è quello di verificare il corretto dimensionamento dei cuscinetti e delle guide lineari di un gruppo all’interno di una macchina automatica brevettata e realizzata da Manz Srl, azienda in collaborazione con la quale è stato svolto il progetto. La macchina automatica in esame è parte di una linea di produzione di batterie rettangolari a partire da nastri di materia prima e impiega l’innovativo processo di wound stacking. Per eseguire la verifica dei componenti è stato necessario effettuare una simulazione dinamica con il software MSC Adams, grazie al quale si sono potute calcolare le reazioni vincolari. In parallelo al modello Adams, è stato realizzato anche un modello MATLAB, con cui poter confrontare i risultati del software multibody per validarli. Stabiliti i periodi previsti di manutenzione della linea e un coefficiente di sicurezza richiesto, si sono individuati i componenti che non rispettavano le specifiche dei progettisti. Alla fine della tesi si propongono anche delle soluzioni per la sostituzione di alcuni componenti.

Caratterizzazione mediante flussaggio stazionario CFD di condotti di motori a combustione interna 'SACI'

In questo lavoro di tesi si è voluta creare una metodologia solida per la generazione di geome-trie banchi di flussaggio stazionario, sia per Tumble che per Swirl, a varie alzate valvole (in questo caso solo aspirazione, ma estendibile anche a quelle di scarico), avvalendosi del soft-ware SALOME; seguite da creazione griglia di calcolo e infine simulazione in ambiente Open-FOAM. Per prima cosa si è importata la geometria creata in un CAD esterno e importata in SALOME in formato STEP. A seguito si sono posizionate le valvole all’alzata da simulare, insieme alla creazione del falso cilindro, diversificato tra il caso Tumble e Swirl. Si è importato il file del banco di flussaggio, in formato STL, in snappyHexMesh e generata la griglia; questa è stata utilizzata per la simulazione in ambiente OpenFOAM, utilizzando l’utility rhoPorousSimpleFoam. Infine, si sono estratti i dati per il calcolo di grandezze utili, coppia di Tumble/Swirl e portata in massa, oltre alla creazione di immagini di visualizzazione campi di moto, utilizzando il post processore ParaView. In parallelo si è sviluppata l’automatizzazione delle varie fasi servendosi sia di script scritti in python che in bash.

L'indice di resilienza per la valutazione delle prestazioni di una rete di distribuzione idrica

Nel seguente lavoro di tesi, l’analisi dell’efficienza idraulica è stata condotta sulla base dei tradizionali parametri di simulazione di una rete idrica, come carichi idraulici ai nodi e portate erogate, ma sfruttando l’ausilio di un indice di performance di rete sintetico e globale, ovvero l’Indice di resilienza, introdotto da Todini (2000; 2016). Infatti, tale indice, rientrando tra i parametri con cui valutare lo stato complessivo di “benessere idraulico” di una rete, ha il vantaggio di poter fungere da criterio di selezione di eventuali interventi migliorativi da operare sulla rete stessa. L’analisi si è concentrata sull’utilizzo dell’Indice di resilienza come strumento per la misura delle prestazioni di una rete di distribuzione idrica semplificata, utilizzata come caso studio: per far ciò, si sono messi a confronto i risultati relativi a diversi scenari, ottenuti simulando la rottura in successione delle tubazioni della rete, oppure ipotizzando incrementi di richiesta idrica ai nodi. In generale, i risultati delle simulazioni idrauliche, effettuate con l’ausilio combinato dei software di calcolo EPANET 2.2 e Matlab, hanno mostrato che la resilienza può essere utilizzata per quantificare la robustezza di una rete idrica, presentando forti correlazioni con le pressioni ai nodi. Durante il corso di queste analisi, si è anche voluto mostrare lo sviluppo analitico subito nel tempo dalla formula dell’Indice di resilienza, della quale in principio era stata proposta una formulazione pensata per l’approccio Demand Driven, poi estesa all’approccio di modellazione Pressure Driven. L’intento finale dell’elaborato è stato quello di capire tramite quali mezzi poter migliorare la resilienza del sistema in esame: è emerso che la soluzione ottimale è quella di sfruttare gli effetti benefici derivanti dall’azione combinata della sostituzione dei diametri e del risparmio idrico derivante dalla riduzione delle perdite idriche e degli sprechi nei consumi idropotabili.

1H NMR-based metabolomics investigation on the impacts of feeding in aquaculture of Gilthead sea bream (Sparus aurata)

In questo lavoro di tesi sono stati analizzati campioni di orate (Sparus aurata) da acquacoltura allevate con differenti diete, commerciali o innovative, con lo scopo di verificare se le diverse formulazioni dei mangimi hanno un effetto sul profilo molecolare dei pesci. A tal proposito, è stata utilizzata la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (1H NMR) accoppiata ad un approccio metabolomico poiché, rispetto ad altre tecniche, consente la determinazione simultanea di un’ampia classe di metaboliti che caratterizzano il campione attraverso la generazione di spettri che contengono un ampio spettro di informazioni. Questo lavoro di tesi si sposa bene con l’attuale tendenza di sviluppo dell’acquacoltura, che viene vista come uno strumento interessante per fornire cibo e migliorare la sicurezza alimentare, ma allo stesso tempo esso è in accordo anche con la sempre più elevata attenzione verso sostenibilità, qualità e conformità alle richieste dei consumatori, che sono oggi le principali tendenze nel settore alimentare. Negli ultimi anni si è assistito ad un ampio sviluppo dell’acquacoltura e questo ha portato alla necessità di ricercare strategie per migliorare l’efficienza, la produttività, ma anche la sostenibilità di questi sistemi. Questo ha condotto ad un elevato aumento delle ricerche riguardanti questi aspetti dell’acquacoltura, e l’impatto che la dieta ha sul metabolismo dei pesci è uno di questi. I dati spettroscopici sono stati interpretati attraverso analisi statistica multivariata, nello specifico attraverso l’analisi delle componenti principali, PCA, per individuare eventuali differenze significative tra i tre gruppi a seguito della diversa tipologia di alimentazione. Dal presente lavoro di tesi è stato possibile concludere che i campioni vengono distribuiti e classificati in funzione della dieta. Inoltre, è stato possibile individuare i metaboliti che maggiormente determinano questa separazione.

Modellazione del trattamento a fanghi attivi del depuratore Ponte Metauro di Fano ed indicazioni gestionali per la riduzione dei consumi di energia.

Lo scopo del presente studio è quello di modellare il processo di trattamento delle acque reflue dell’impianto a fanghi attivi Ponte Metauro di Fano. In particolare, si è posta l’attenzione sulle fasi di trattamento secondario, agendo sui parametri che regolano tali processi e simulando il funzionamento ottimale dell’impianto attraverso il programma di modellazione STOAT. Oltre a modellare l’impianto, è stato anche fatto uno studio per cercare di risparmiare i consumi di energia e reagenti. La prima fase quindi è stata incentrata sulla modellazione dell’impianto, soprattutto per i trattamenti secondari, con varie simulazioni per poi arrivare ad avere una rappresentazione corretta del fenomeno che avviene nella realtà. La seconda fase invece è stata incentrata sulla ricerca di un possibile risparmio energetico per ottimizzare i consumi di energia e reagenti all’interno delle vasche.