“La società Schedio SA è un’azienda svizzera che si occupa della progettazione e realizzazione di impianti di micronizzazione polveri e di impianti di isotecnia, sia per applicazioni in contenimento che in asepsi. Lo sviluppo tecnologico è uno dei nostri pilastri per rispondere ad una realtà industriale in continua evoluzione come la nostra. La collaborazione instaurata con SUPSI ci permette di studiare delle nuove soluzioni da applicare alle nostre macchine, sfruttando la sinergia tra le nostre competenze nella realizzazione di impianti e le competenze tecniche e scientifiche della SUPSI, con un reciproco e vincente scambio di esperienze.
Durante lo svolgimento delle tesi gli studenti SUPSI hanno dimostrato di possedere un’ottima pre- parazione professionale e solide basi teoriche che hanno permesso di ottenere risultati soddisfacenti e direttamente applicabili alle nostre macchine. Le collaborazioni con SUPSI ci consentono inoltre di attingere futuri candidati particolarmente validi da inserire in azienda.”
Milko Leone
Direttore R&D Schedio SA Corso di laurea in
Ingegneria meccanica
Visita il sito www.supsi.ch/dti/bachelor/
ingegneria-meccanica
I lavori di diploma presentati in questo catalogo mostrano in modo esaustivo la virtuosa collaborazione tra le aziende del territorio, la formazione e le attività di ricerca applicata all’interno degli Istituti del Dipartimento tecnologie innovative della SUPSI. In effetti la totalità dei temi è proposta dalle aziende e dagli Istituti del DTI. Questa sinergia da una parte consente agli studenti di confrontarsi con situazioni che permettono loro di lavorare in un reale contesto produttivo, dall’altra offre alle imprese la possibilità di disporre di una risorsa in grado di svolgere progetti industriali.
Le schede di progetto raccolgono il lavoro svolto in 4 mesi, durante i quali gli studenti applicano le com- petenze acquisite, permettendo agli stessi di misurarsi con un problema di una certa complessità. Il risultato delle tesi ci fornisce un’idea dell’in- tensità della formazione che gli stu- denti devono affrontare per diplo- marsi e del livello professionale raggiunto. Questo grazie anche ad un percorso formativo strutturato ed efficiente, caratterizzato da un approccio didattico che non mira solo a trasferire nozioni teoriche e temi legati alle tecnologie ma cerca, tramite esercizi, attività di labora- torio e progetti, di mettere gli studen- ti nella condizione di sviluppare altre caratteristiche del futuro ingegne- re, come la capacità di analisi, di risoluzione di problemi complessi,
di lavorare all’interno di gruppi multidisciplinari partecipando, con le conoscenze specifiche dell’inge- gneria meccanica, allo sviluppo, alla progettazione e alla realizzazione di prodotti e processi. Questi requisiti, insieme ad altri criteri, quali approc- cio ingegneristico, padronanza delle conoscenze professionali, auto- nomia, capacità di autodocumentarsi, capacità redazionali e di presen- tazione, definiscono la valutazione finale del progetto.
Colgo l’occasione per ringraziare i partner industriali per la proficua collaborazione e tutti i docenti del corso di laurea che, con il loro con- tributo, hanno permesso di formare degli ingegneri che sicuramente sapranno partecipare attivamente allo sviluppo economico della no- stra società.
Ai nuovi diplomati, oltre all’augurio di un futuro ricco di soddisfazioni sia nel campo professionale sia in quello privato, un plauso particolare per aver raggiunto questo impor- tante traguardo nonostante tutte le difficoltà causate dalla pandemia da Coronavirus. A voi lettori, l’augurio di una piacevole lettura.
Responsabile del corso di laurea Walter Amaro
Corso di laurea in
Ingegneria meccanica
111Lorenzo Cavallini Ottimizzazione del profilo di pale per miscelamento di fluidi viscosi non-Newtoniani a com- portamento pseudoplastico — 112 Michele Ceruolo Sviluppo di un modello FEM per la simulazione di un cer- chione durante il test di resi- stenza a fatica — 113 Giulio Cottone Palumbo C10403 – Ottimizzazione di rivestimenti fotocatalitici in titania — 114Aman Dass Studio ed ottimizzazione di un Jet-Mill con iniezione assiale — 115 Mattia Dell’Era Progettazione di una macchina per Filament Winding — 116Giacomo Di Nino Studio sperimentale e nume- rico di un banco test per uno scambiatore di calore a tubi e mantello — 117Alessandro Folloni Dimensionamento di un telaio per esperimenti in condizioni di microgravità — 118 Francesco Lanzeni Messa in servizio e strumenta- zione di un pendolo a impatto per prove di resilienza — 119Simone Nolli Tensioni residue, metodo di misura tramite estensimetri a rosetta forata — 120Daniele Orelli Modellazione CFD del processo di produzione di idrogeno tra- mite decomposizione catalitica del metano — 121 Neva Patocchi Perfezionamento, strumenta- zione e collaudo di un impianto CAES da laboratorio — 122 Alem Puric Miglioramento di un attuatore idropneumatico — 123 Luca Ronzani Avanzamento nella valutazione delle prestazioni di un sistema di accumulo termico a calore sensibile con direzione dei flussi di carica e scarica orizzontali — 124Alain Sulser Struttura per barre di Hopkinson — 125 Luigi Talarico Sviluppo di un metodo per la caratterizzazione di masse catodiche per accumulatori a batteria — 126Giona Tiso Studio comparativo per la pro- gettazione, ingegnerizzazione e realizzazione di una fresa per smussi prodotta tramite laser metal deposition con l’imple- mentazione di functionally graded materials —
127Davide Viganò Strutture complesse metalliche prodotte mediante Investment Casting — 128 Jonathan Alejandro Visconti Studio e ottimizzazione di una pinza di rivettatura
Walter Amaro
L’apertura all’esercizio commerciale delle gallerie AlpTransit ha prodotto un potenziamento dell’offerta del trasporto ferroviario sulla rete FFS con importanti ricadute anche sulle linee regionali.
Su richiesta di FART SA, l’obiettivo della tesi è di verificare e ottimizzare l’impianto di corrente di trazione attualmente in esercizio sulla linea della “Centovallina” secondo lo scenario previsto dal nuovo concetto orario e con l’impiego del nuovo materiale rotabile in corso di fornitura.
Lo studente, si è distinto sull’arco dell’intero progetto per l’impegno, l’indipendenza e la determinazione con cui ha realizzato il lavoro. Ha saputo affrontare una tematica estremamente complessa e a lui poco conosciuta in modo pragmatico e scientifico. Durante lo svolgimento del lavoro ha dovuto apprendere nuovi strumenti di simulazione ed interfacciarsi con molte figure professionali per ottenere le informazioni necessarie alla realizzazione dei modelli di calcolo.
Bachelor of Science in Ingegneria meccanica Relatori
Luca Diviani Matteo Montini
Vincitore del premio TalenThesis 2021
Alessandro Bianchi
FART Ferrovia della Centovalli:
Analisi e verifica
dell’impianto di trazione elettrica
Abstract
Con l’obiettivo di potenziare la pro- pria offerta di trasporto, le Ferrovie Autolinee Regionali Ticinesi (FART SA) introdurranno un nuovo servizio regionale a cadenza semi-oraria e del nuovo materiale rotabile.
Lo scopo del lavoro è di verificare se il nuovo concetto di produzione possa essere implementato, ovvero che i parametri di esercizio dell’im- pianto di trazione elettrica (TE) rispettino le disposizioni normative.
Per effettuare la verifica si utilizzerà il software TrainsRunner (simula- tore elettromeccanico per sistemi ferroviari a trazione elettrica), all'interno del quale verrà modellato il tracciato, l’esercizio ferroviario e l’impianto TE.
Le simulazioni verranno condotte considerando l’usura della linea di contatto (LC), delle rotaie e l’influen- za della temperatura.
Obiettivi
L’obiettivo principale di questo progetto è quello di verificare e valutare la capacità dell’impianto di trazione elettrica di garantire l’esercizio considerando il futuro concetto di produzione. In caso di necessità si dovranno fornire e verificare delle misure di ottimizza- zione. In particolare, la valutazione e verifica dell’impianto si articola sui seguenti punti:
– applicazione della Norma EN 50163:
la tensione al pantografo deve mantenersi entro i limiti di opera- bilità della linea di contatto
– applicazione della Norma EN 50122-1:
il potenziale di rotaia non deve su- perare i valori massimi di tensione di contatto
– i carichi sui raddrizzatori delle sottocentrali (SSE) non devono superare i valori limite imposti dal costruttore (carichi di punta e sovraccarichi)
– la taratura degli extrarapidi deve consentire di rilevare le correnti minime di cortocircuito in modo da disconnettere l’alimentazione Motivazioni
Ho scelto questo argomento in seguito all'interesse maturato per la tecnica ferroviaria durante i due relativi moduli offerti nel percorso di studi. Altri motivi che mi hanno spinto a scegliere proprio questo lavoro riguardano la multidisciplinarità dei temi trattati, la possibilità di poter utilizzare un software specifico del settore e l'opportunità di collaborare e conoscere da vicino importanti aziende attive sul territorio ticinese nell'ambito dei trasporti, ovvero le Ferrovie Autolinee Regionali Ticinesi.
Conclusione
La tensione minima sulla LC nei pressi di Locarno e Camedo è inferiore al limite imposto dalla norma EN 50163, mentre i carichi di punta sul raddrizzatore della SSE di Ponte Brolla superano i valori ammissibili.
In base a questi risultati vengono pro- poste due misure di ottimizzazione:
– costruzione di una quarta SSE a Camedo
– costruzione di una quarta SSE a Locarno e revisione del nuovo concetto orario
Il potenziale di binario rientra invece nei limiti imposti dalla normativa EN 50122-1.
Alessandro Bianchi
Ho sempre visto l'ingegneria meccanica come una professione multidisciplinare capace di operare nei più disparati settori dell'in- dustria e non solo. Inoltre, è una professione stimolante che per- mette continuamente di imparare, approfondire nuove conoscenze e di sviluppare un approccio analitico nell'affrontare nuovi progetti. Dopo il liceo scientifico ho scelto la SUPSI in quanto permette di unire il mon- do teorico a quello pratico. Questa combinazione consente di avere una visione completa quando viene analizzato un problema.
Diagramma di flusso software TrainsRunner
Nuovo materiale rotabile Stadler
Tensione minima linea, impianto TE attuale
Tensione minima linea, misura di ottimizzazione SSE Camedo
Tensione minima linea, misura di ottimizzazione SSE Locarno e revisione orario
Youssef Al Mokdad
Relatore
Simone Salamina
Luca Balerio
Relatore Ivan Brugnetti
Abstract
L’obiettivo del presente progetto è la realizzazione di un dispositivo che permetta di ottenere la miscelazione omogenea di due polveri metalliche trasportate da un flusso di Argon per il processo di Direct Energy Depo- sition. La concentrazione di queste polveri deve poter essere modulabile ma, al contempo, è necessario man- tenere una portata costante indipendentemente dal settaggio di concentrazione.
La soluzione si compone di due tramogge identiche per l’inserimento delle due diverse polveri con il relativo siste- ma di adduzione. Uscite dalle tramogge, le due polveri dif- ferenti, attraverso condotti pneumatici dal diametro inter- no di 6mm, giungono in un raccordo ad ‘Y’ dove si uniscono in un condotto di diametro 30mm. Trasportate dal flusso di gas raggiungono una griglia di miscelazione che, cre- ando notevoli turbolenze e deviazioni dei flussi, permette una miscelazione ottimale delle due polveri. Successiva- mente, al passaggio attraverso il miscelatore statico, la se- zione del condotto si riduce nuovamente per riportare le polveri in una tubatura di 6 mm di diametro che le condur- rà alla testa di deposizione della macchina DED.
La struttura progettata è stata validata da simulazioni CFD, le quali hanno inoltre aiutato ad ottimizzare il dispositivo.
La soluzione sviluppata adempie ai compiti assegnati.
Obiettivi
– Analizzare e comprendere le scelte alla base del con- cetto di alimentatore attuale;
– Ottenere una miscelazione omogena delle due pol- veri metalliche;
– Comprendere la meccanica e l’attorica necessarie;
– Progettare completamente la meccanica con tutti i componenti ottimizzati e dimensionati;
– Progettare la parte di azionamento e controllo;
– Selezionare i componenti necessari all’attuazione.
Conclusione
– Tutte le funzioni individuate sono sviluppate;
– Tutte le componenti meccaniche sono dimensionate ed ottimizzate;
– Sono state determinate le componenti standard ed i relativi fornitori;
– La macchina sviluppata garantisce la maggior parte delle specifiche richieste;
– La miscelazione delle due polveri è dimostrata teori- camente tramite simulazione CFD;
– I componenti necessari all’attuazione sono determinati;
– La macchina necessita ulteriori dettagli per essere pronta alla realizzazione.
Sviluppo di un alimentatore polveri per DED a doppio materiale
Abstract
Nel presente lavoro è stata effettuata la validazione dell’applicabilità del metodo SED (Strain Energy Densi- ty), per la valutazione della resistenza a rottura, su pro- vini in PMMA con intaglio a V raccordato sotto carico statico di trazione. È stata poi studiata la possibile esten- sione del metodo su provini UNBD (U-Notched Brazilian Disc) in PMMA sotto carico statico in compressione, con modo di carico I e II. Lo studio è stato effettuato realiz- zando delle analisi FEM, dalle quali è stato misurato il valore dell’energia di deformazione e poi calcolato il va- lore della densità di energia di deformazione mediato sul volume di controllo. Essendo il raggio di controllo Rc dipendente dal materiale e non dalla geometria, anche per i provini UNBD è stato definito il volume di controllo con il raggio Rc = 0.02 mm e il valore di densità di ener- gia di deformazione critico Wc = 3.85 Nmm/mm3 (dati da lavoro precedente). I carichi a rottura stimati risulta- no essere congruenti con le prove sperimentali.
Obiettivi
– Comprendere le basi teoriche del metodo SED;
– Progettare il provino UNBD e definire la procedura di prova;
– Validare sperimentalmente i dati attualmente a di- sposizione (lavoro precedente);
– Estendere l’applicabilità del metodo al modo di cari- co II ed a raggi di raccordo più ampi;
Conclusione
Sono state testate nuove serie di provini in PMMA per la validazione e l’estensione del metodo SED. La stima del- le forze di rottura è stata effettuata tramite FEA ipotiz- zando il materiale come elastico-lineare e in condizione di plane strain. Per i provini con intaglio a V, con raggi di 1, 3 e 4 mm le forze di rottura sono congruenti con quelle stimate (errore relativo massimo del 10%), si può quindi validare il lavoro svolto in precedenza.
Per contro, con raggi superiori ai 4 mm la forza di rottura viene sovrastimata con errore pari a circa il 25% a cau- sa del comportamento non lineare che assume la cur- va forza-deformazione. L’estensione del metodo oltre il raggio 4 mm non è quindi possibile.
Per i provini UNBD le forze stimate sono coerenti con quelle risultanti dalle prove sperimentali con errori re- lativi sempre inferiori al 15% sia per le fratture di modo I che per quelle di modo II. Il metodo SED è quindi esten- dibile anche per la valutazione di questa tipologia di provini indipendentemente dal modo di carico.
Partner
Kugler Bimetal SA
Validazione e estensione dell’applicabilità
del metodo SED per la valutazione della resistenza
a rottura su provini UNBD in PMMA
Lorenzo Bazzolo
Relatore Emian Furger
Abstract
Il presente lavoro ha permesso di sviluppare e ottimiz- zare un modello FEM per la simulazione del processo di formatura a freddo dei cerchioni per auto.
Dapprima sono state prese in esame le differenti tipolo- gie di elementi, confrontandole per ricavare la più effi- cace in termini di risultati e tempistiche.
Per ogni stadio di lavorazione sono stati applicati vincoli di simmetria, permettendo la simulazione di 1/4 e 1/8 di geometria; per i primi due passi si è potuto sperimen- tare anche la simulazione 2D in quanto il pezzo finale di tale processo corrispondeva ad un solido di rivoluzione.
Infine sono state effettuate analisi di sensitività sul coef- ficiente di attrito e sulla dimensione degli elementi che compongono il reticolo.
Obiettivi
Lo scopo del progetto è quello di analizzare vari para- metri durante la simulazione onde minimizzare i tempi di calcolo, mantenendo invariata la qualità dei risultati.
– Analisi e ottimizzazione di parametri relativi al reti- colo in funzione del pezzo di lavorazione.
– Implementazione in funzione dello stadio di lavora- zione di vincoli di simmetria per ridurre i tempi di cal-
colo, andando a verificare che la qualità dei risultati ottenuti sia elevata.
– Analisi di sensitività dei principali parametri che po- trebbero influenzare i risultati della simulazione.
Conclusione
– Dopo un’attenta comparazione dei parametri più si- gnificativi è emerso che il modello migliore per i primi due passaggi si è ottenuto tramite una simulazione 2D avente come reticolo elementi Quad. Nel terzo pas- saggio la miglior simulazione è risultata essere quella 3D utilizzante un reticolo con elementi esaedrici.
– Nel peggiore dei casi si è riscontrato un errore intor- no al 4% in termini di forza e volume; per la deforma- zione plastica si arriva a un 7% di errore.
– L’ultimo punto trattato è stata l’analisi di sensitività sul coefficiente d’attrito e grandezza degli elementi.
– Un’analisi di sensitività su attrito e reticolo ha mo- strato che i risultati su volume e forze esercitate non sono significativamente influenzati (risultato peg- giore: differenza del 7%). Sulla deformazione plastica si è notata un’influenza solo per il terzo passo, arri- vando ad una variazione significativa intorno al 17%.
Analisi e ottimizzazione di un modello FEM per la simulazione del processo di formatura dei cerchioni
Francesco Bonanomi
Relatore Daniele Crivelli
Abstract
La ventilazione all’interno delle gallerie di base del Gottar- do e del Ceneri avviene per mezzo di ventilatori assiali a getto. La soluzione sviluppata per l’installazione, adottata durante la fase di cantiere, non si addice più alle esigen- ze della galleria in esercizio in quanto non conforme con i tempi di manutenzione ristretti e con le accresciute norme di sicurezza.
Con questo progetto si è studiato un nuovo concetto per il sistema di sollevamento dei ventilatori, conforme con le esigenze di progetto e con i vincoli legati all’infrastruttura.
Un’analisi delle criticità del sistema attualmente in uso ha permesso di selezionare le possibili soluzioni alternative, mentre un successivo studio di dettaglio ha dimostrato che la soluzione più efficiente consiste nell’utilizzo di un si- stema di sollevamento fisso sul carro, grazie in particolare all’eliminazione dei tempi di carico e scarico.
A dimostrazione del funzionamento del nuovo concetto è stata realizzata una simulazione dell’intero ciclo di sostitu- zione dei ventilatori.
Obiettivi
Il progetto mira a proporre la soluzione più idonea per il nuovo sistema di sollevamento dei ventilatori nelle gallerie ferroviarie identificando, confrontando e valutando con-
cetti radicalmente differenti tra di loro.
In particolare si richiede di:
– Definire le specifiche di progetto, approvate dal com- mittente;
– Identificare il concetto per il sistema di sollevamento che meglio si presta;
– Studiare il sistema di posizionamento e aggancio del ventilatore a parete.
Conclusione
La soluzione proposta consente di ridurre il numero delle operazioni necessarie per l’installazione dei ventilatori da 9 a 5.
L’analisi delle tempistiche ha dimostrato che l’operazione di sostituzione di un ventilatore guasto può essere effet- tuata in un tempo stimato di poco superiore alle 5 ore.
L’impiego di un sistema di sollevamento fisso sul carro, oltre a semplificare le operazioni, migliora la sicurezza eliminando operazioni delicate, quali lo scarico del mez- zo di sollevamento ibrido (dotato di ruote gommate e per rotaia) che dipendono da un operatore che necessita di esperienza.
Non da ultimo, il sistema di sollevamento permette di sostituire i ventilatori senza dover modificare i supporti a parete, aspetto importante in quanto ogni supporto è dif- ferente a seconda della morfologia della galleria.
Studio del sistema di sollevamento ventilatori per galleria ferroviaria
Partner FFS
Oliviero Brazzale
Relatore
Simone Zavattoni
Abstract
Il presente studio ha come obiettivo la valutazione dell’accuratezza dei risultati di una simulazione CFD re- alizzata tramite Mosaic meshing, una recente tecnologia proposta da ANSYS.
Tenendo in considerazione uno studio fluidodinamico di riferimento, è stato dato avvio a una fase di creazio- ne delle griglie computazionali (mesh) con successive campagne di simulazioni. Tale procedimento ha por- tato al confronto dei risultati computazionali con quelli sperimentali, seguito da una valutazione metodologica della validazione e verifica dei risultati ottenuti. Succes- sivamente, è stata eseguita un’analisi con l’aggiunta di scambio termico al fine di valutare ulteriori aspetti delle mesh prese in esame.
Le analisi hanno messo in luce una similitudine tra ri- sultati ottenuti dal confronto tra le due tecnologie per il caso fluidodinamico, mentre si sono osservate maggio- ri differenze nel caso con scambio termico. Sono state inoltre rilevate differenze per quanto riguarda le risorse computazionali e di tempo richieste da ciascun metodo, le quali hanno evidenziato vantaggi e svantaggi per en- trambe le tipologie di mesh.
Obiettivi
Gli obiettivi del seguente progetto comprendono:
– Acquisire le conoscenze sulla nuova tecnologia per la meshatura proposta da ANSYS (mosaic meshing).
– Definire i modelli fisici e le condizioni al contorno adatte a replicare il caso in esame, e realizzare le op- portune simulazioni CFD per ottenere risultati utili.
– Valutare criticamente l’accuratezza dei risultati delle simulazioni CFD ottenuti mediante mesh tradizionale e tecnologia Mosaic meshing.
Conclusione
Al termine del progetto, è stato possibile appurare che la nuova tecnologia offerta da ANSYS, il Mosaic meshing, può portare reali benefici nelle analisi termo-fluidodi- namiche. Dallo studio fluidodinamico condotto sulla geometria in esame, si sono osservati livelli di accura- tezza molto simili fra le tre tecnologie. Tuttavia, è stato possibile effettuare un confronto delle risorse di tempo e computazionali, dalla fase di creazione delle griglie fino alla loro simulazione; questo ha portato ad osser- vare tempistiche e impegno nella realizzazione della mesh sensibilmente ridotte per la tipologia Mosaic in confronto alla mesh tradizionale strutturata.
Valutazione dell'accuratezza dei risultati di una simulazione CFD ottenuti partendo da una mesh generata tramite tecnologia ''Mosaic meshing''
Lorenzo Cavallini
Relatore
Riccardo Puragliesi
Abstract
I processi di miscelazione sono largamente impiegati nel settore farmaceutico, alimentare, trattamento del- le acque reflue e produzione di biogas. Generalmen- te questi processi vengono effettuati su fluidi non–
Newtoniani con eliche a geometrie aspecifiche che non garantiscono prestazioni ottimali di miscelazione.
Si vuole studiare un miscelatore meccanico a pale (elica) in grado di garantire prestazioni ottimali negli impianti per la produzione di biogas. Lo studio viene eseguito ap- plicando un metodo di design dedicato in grado di defi- nire tutti i parametri che descrivono le geometrie di pala in funzione della reologia del fluido trattato e del punto di funzionamento. Per raggiungere lo scopo si analizza il comportamento fluidodinamico, tramite ausilio di flu- idodinamica computazionale, di 6 differenti profili alari immersi in due flussi: uno di fluido Newtoniano (acqua) e uno di fluido non-Newtoniano (pseudoplastico).
In seguito un’ottimizzazione con metodo «Monte Car- lo» applicato al «Blade element method» definisce i mo- delli 3D delle due eliche per la miscelazione di acqua e pseudoplastico.
Obiettivi
– Applicazione di una metodologia di design dedicata per fluidi non–Newtoniani;
– Studio e raccolta dei dati del comportamento di 6
profili alari immersi in un flusso di acqua e fluido pseudoplastico;
– Definizione di tutti i parametri che descrivono la ge- ometria della pala del miscelatore attraverso l’appli- cazione di un processo di ottimizzazione di «Monte Carlo» applicato al «Blade element method»;
– Costruzione in 3D dei due modelli di eliche;
– Analisi delle differenze di geometria dovute alle di- versità delle proprietà reologiche;
– Determinazione delle prestazioni teoriche del mi- scelatore.
Conclusione
L’elica specificatamente progettata per il fluido non–
Newtoniano con il metodo dedicato di design presenta le seguenti caratteristiche:
– Diametro esterno di 2.1 m;
– Diametro del corpo centrale di 0.42 m;
– Coppia di 188 Nm;
– Spinta di 914 N.
L’applicazione del metodo su due fluidi distinti (Newto- niano e non), e la conseguente costruzione di due diver- se eliche, ha messo in luce come le differenze di reologia influiscano sulla geometria finale. In conclusione l’ado- zione di una metodologia specifica consentirebbe sen- sibili margini di miglioramento delle prestazioni di mi- scelatori per fluidi non–Newtoniani.
Ottimizzazione del profilo di pale per
miscelamento di fluidi viscosi non-Newtoniani
a comportamento pseudoplastico
Michele Ceruolo
Relatore Emian Furger
Abstract
Lo scopo principale di questa tesi era quello di svilup- pare un modello FEM che consentisse la simulazione di un cerchione durante il test di resistenza a fatica per poi confrontarlo con i dati sperimentali. Nello specifico è stato possibile emulare le condizioni di carico e di vin- colo che il cerchione deve subire durante lo svolgimento del test a flessione rotante.
Dapprima si è sviluppato il modello FEM, questo implica l’analisi relativa al reticolo (tipo e grandezza degli ele- menti), condizioni al contorno sia cinematiche che sta- tiche e attrito. Per quanto riguarda il modello materiale si è utilizzato un modello di Johnson-Cook.
In seguito si è svolta una analisi approfondita degli stati tensionali del cerchione sottoposto a sforzi in funzione della direzione in cui il carico viene applicato. Questo ha permesso di identificare le zone più critiche del disco.
Infine si sono confrontati i dati sperimentali con i risulta- ti di simulazione ottenendo una buona correlazione per quanto riguarda le zone in cui si riscontrano le cricche.
Obiettivi
– Il primo obiettivo era quello di raccogliere e analiz- zare i dati sperimentali del test a fatica. Di particolare interesse sono le zone in cui si riscontrano le cricche durante il test.
– Il secondo obiettivo era quello di sviluppare il model- lo FEM analizzando e caratterizzando vari parametri quali l’attrito, il reticolo, il modello materiale e i vincoli.
– L’obiettivo finale è quello di correlare i risultati speri- mentali con quelli delle simulazioni.
Conclusione
– Le simulazioni FEM hanno permesso di constatare che in prossimità del raggio superiore (A, B) c’è uno stato di tensione planare mentre in prossimità dei fori di montaggio (D, C) lo stato tensionale è triassiale.
– L’analisi effettuata su punti specifici (A, B, C e D) ha permesso di calcolare i valori di stress ciclici durante una intera rotazione come anche di determinare le componenti predominanti del tensore delle tensioni.
– Lo studio effettuato ha potuto confermare che la zona del raggio superiore dove si riscontrano delle cricche durante i test a fatica risultano essere criti- che anche secondo le simulazioni FEM. Inoltre è sta- to possibile identificare ulteriori zone critiche come i piani d’appoggio (zona posta direttamente a contat- to tra disco e semiasse) e le regioni limitrofe ai fori di accoppiamento.
Sviluppo di un modello FEM
per la simulazione di un cerchione durante il test di resistenza a fatica
Partner Alcar
Giulio Cottone Palumbo
Relatore
Giovanni Bianchi
Abstract
Per lo sviluppo di filtri fotocatalitici ad alta efficienza per la disinfezione dell’aria si è reso necessario sviluppare un rivestimento in Titiana. Lo studio sistematico delle fasi di processo ha permesso di determinare i parametri otti- mali per il metodo di rivestimento ad immersione. Dal- lo studio della letteratura e da esperimenti preliminari si sono ricavati i valori limite dei parametri di processo per una campagna di sperimentazione. Tramite questa si sono ottenute le relazioni tra parametri di processo e le proprietà del rivestimento così da poter ottimizzare il processo produttivo e comprendere le fasi critiche per la formazione di un rivestimento funzionale.
I risultati dell’ottimizzazione sono stati replicati per ve- rificare la correttezza dei modelli predittivi. Sono stati ottenuti rivestimenti in Titania con spessori omogenei di 20µm. Per la valutazione delle proprietà del rivestimen- to si è ipotizzato un caso d’uso in sistemi HVAC ed ef- fettuata una sperimentazione per ottenere rivestimenti stabili alle condizioni di utilizzo.
Obiettivi
Per raggiungere lo scopo del progetto sono stati indivi- duati i seguenti obiettivi:
– analizzare il processo ad immersione per capirne i passaggi e le loro criticità;
– studiare i parametri di processo per identificarne i limiti;
– ottenere delle correlazioni tra parametri di processo e le proprietà misurabili sul manufatto finale;
– analizzare tali relazioni e proporre dei parametri di processo ottimizzati;
– valutare e discutere i risultati ottenuti;
– ottenere un rivestimento funzionale.
Conclusione
Lo studio ha permesso, attraverso un piano sperimen- tale, di ottenere le correlazioni tra i parametri di proces- so e le proprietà misurate sul manufatto finale. Si sono dapprima ricavate le formule di predizione dello spesso- re e del guadagno in massa del manufatto. È stata ana- lizzata l’influenza della velocità di asciugatura sui difetti superficiali nel rivestimento. In base all’analisi dei dati ottenuti sono state proposte soluzioni per mitigare le cricche superficiali del rivestimento. Sono stati ottenuti rivestimenti stabili che non mostrano perdita di massa durante l’utilizzo alle condizioni di lavoro. Il rivestimen- to finale ottenuto presenta uno spessore di 20±2µm con ottima stabilità ed omogeneità su tutto il manufatto nonostante la presenza di cricche superficiali.
C10403 – Ottimizzazione di rivestimenti
fotocatalitici in titania
Aman Dass
Relatore Walter Amaro
Abstract
L’azienda Schedio SA ha l’interesse di studiare e ottimiz- zare il processo di micronizzazione svolto con un tipo di jet mill a spirale che presenta un metodo di iniezione del materiale che avviene in maniera assiale, invece che tangenziale, al mulino.
È stato svolto uno studio della configurazione del muli- no, seguito da una campagna sperimentale di screening utilizzando tecniche di Design of Experiment – DoE che ha permesso di individuare il range ottimale dei parametri di processo nella fascia di pressioni e di portate.
Sono state implementate delle modifiche geometriche al mulino che hanno permesso di valutare il processo al variare della profondità del punto d’iniezione del mate- riale e del volume della camera di micronizzazione. A tale scopo è stato realizzato un condotto che consente lo spostamento del punto d’iniezione lungo l’asse verticale del mulino e dei piatti di usura che hanno permesso di ri- durre del 10% il volume della camera di micronizzazione.
In conclusione è stata svolta una campagna sperimen- tale di ottimizzazione finalizzata ad analizzare l’efficacia del processo al variare del volume della camera di mi- cronizzazione e dell’altezza relativa del punto di iniezio- ne del materiale.
Obiettivi
– Raccogliere dati sperimentali del processo sul mulino esistente;
– Studiare e sviluppare nuove varianti della geometria interna;
– Realizzare disegni di fabbricazione della soluzione proposta;
– Eseguire le prove sperimentali con la nuova configu- razione.
Conclusione
Nella campagna sperimentale di screening è stato identificato l’intervallo dei valori ottimali di pressio- ne e portata. Gli elementi progettati e fabbricati hanno permesso di studiare il comportamento del mulino con l’obiettivo di ottimizzare il processo: sono state raccol- te informazioni sul rendimento del mulino in funzione dell’altezza del punto di iniezione del materiale e i van- taggi che si possono trarre dalla riduzione del volume della camera di micronizzazione.
Nella campagna di ottimizzazione si è inoltre ampliato il piano di studio lungo l’asse delle portate ed è emerso che, riducendo ulteriormente la portata, è possibile ot- tenere una campana relativa alla Particle size distribution ancor più ristretta e accentuata.
Studio ed ottimizzazione di un Jet-Mill con iniezione assiale
Partner Schedio SA
Mattia Dell’Era
Relatore Giovanni Furìa
Abstract
Il presente lavoro ha l’obiettivo di progettare una mac- china per avvolgere fibre ceramiche su un supporto ci- lindrico mediante la tecnica del Filament Winding.
La macchina è stata studiata in modo versatile per per- mettere un ampio raggio di applicazione; essa infatti consente di avere un’estesa gamma di scelte per quanto riguarda le dimensioni del componente da lavorare (da 15 mm a 1000 mm).
È stato rilevante il fatto che la macchina fosse destinata ad uso laboratoriale, infatti per limitare i costi e il nume- ro dei pezzi da realizzare si è optato per l’utilizzazione di componenti già presenti sul mercato, riducendo il nu- mero di pezzi totali da realizzare.
Particolare attenzione è stata inoltre prestata alle esi- genze dell’operatore: sono state infatti adottate solu- zioni a garanzia che il suo lavoro non risultasse partico- larmente usurante.
Obiettivi
L’obiettivo di questo lavoro è progettare una macchina per avvolgere fibre ceramiche su un supporto cilindrico mediante la tecnica del Filament Winding. La macchina dovrà essere concepita ad uso di laboratorio.
Nello specifico nel lavoro si procede alla progettazione delle parti meccaniche (disegni costruttivi e assemblag- gio) e all’individuazione dei fornitori delle componenti di mercato.
Conclusione
L’ingombro complessivo della macchina è pari a 2000x1200x500 mm.
La soluzione progettata è in grado di ricoprire pezzi aventi un diametro variabile da un minimo di 15 mm ad un massimo di 100 mm, per una variazione di lunghezza compresa tra 15 mm e i 1000 mm e può raggiungere una velocità massima di traslazione della tavola di 0,05 m/s;
l’angolo minimo di deposito che la macchina potrà rag- giungere si avvicina a 30°.
Il tipo di materiale che è in grado di depositare varia da una fibra a un nastro; tale cambiamento potrà essere effettuato sostituendo semplicemente l’ugello, tutte le altre componenti sono universali.
Tutte le parti che necessitano di manipolazione da parte dell’operatore sono studiate in modo tale da consentire un facile accesso, guadagnando in termini di risparmio di tempo e di affaticamento.
Progettazione di una macchina
per Filament Winding
Giacomo Di Nino
Relatore
Jonathan Roncolato
Abstract
Il presente lavoro si è focalizzato sullo studio del banco prova Armifield HT30 XC equipaggiato con uno scam- biatore di calore a tubi e mantello (HT33).
Una prima fase ha compreso l’identificazione delle pro- ve sperimentali significative per la successiva validazio- ne del modello dello scambiatore e la raccolta delle ca- ratteristiche del banco prova.
Per lo scambiatore di calore sono stati identificati tre modelli, basati sul metodo ε–NTU: il primo costruito sulle conoscenze acquisite dai corsi di studio (Standard), i rimanenti trovati in letteratura e più specifici per gli scambiatori a tubi e mantello (Kern e Nitsche).
Un breve studio del transitorio iniziale ha permesso di identificare, tramite un bilancio di potenza, la risposta dinamica della temperatura dell’acqua calda entrante nello scambiatore.
Nell’analisi del circuito del banco sono state prese in considerazione le perdite termiche e di carico nei tubi, ricostruendo la curva di resistenza caratteristica. Noti quindi i punti di funzionamento della pompa centrifuga, tramite l’analisi adimensionale e lo studio dei triangoli di velocità si sono dedotte le caratteristiche ideali della pompa per i valori di portata minima e massima.
Obiettivi
Gli obiettivi principali prevedevano:
– impostazione della campagna sperimentale e relati- va raccolta dati;
– realizzazione del modello analitico dell’intero banco prova (scambiatore e circuito dell’acqua calda) dopo analisi della letteratura;
– validazione del modello e confronto degli errori;
– analisi del transitorio termico.
Conclusione
I tre modelli analitici identificati hanno portato ad ottimi risultati per i valori di portata studiati in entrambe le mo- dalità di flusso (controcorrente ed equicorrente): il disco- stamento delle temperature in uscita dallo scambiatore è sempre inferiore a 1 ºC mentre l’indice R2 , calcolato sul va- lore delle temperature in uscita, è sempre molto prossi- mo all’unità, leggermente migliore per Nitsche. Il modello analitico per la descrizione del transitorio dimostra un andamento del tutto simile a quello dei dati sperimen- tali a meno di piccole fluttuazioni (nel caso peggiore co- munque inferiori a 0.5 ºC). Una volta nota la caratteristi- ca ideale della pompa per la portata volumica massima, è stato possibile ricavare il numero di giri minimo in cor- rispondenza della portata minima misurata.
Studio sperimentale e numerico
di un banco test per uno scambiatore di calore a tubi e mantello
Alessandro Folloni
Relatore Matteo Dotta
Abstract
Il progetto nasce dall’idea del committente di offrire esperimenti in condizioni di microgravità a costo ridotto grazie all’impiego di aerei di aviazione generale (GA).
Attualmente il mercato offre voli parabolici solo con ve- livoli di grandi dimensioni o, all’altro estremo, con alianti.
Viene richiesta la progettazione di un rack per velivoli GA.
I limiti di massa e di posizionamento sono definiti dal costruttore del velivolo. Per non compromettere la cer- tificazione aeronautica è necessaria un’alimentazione elettrica autonoma. La piattaforma deve fornire un si- stema di telemetria per gestire l’esperimento da terra, senza un operatore a bordo. La massa liberata può es- sere dedicata all’esperimento. Fanno eccezione esperi- menti che hanno l’umano come oggetto.
La piattaforma sarà adattabile ad un’ampia gamma di esperimenti con esigenze molto diverse.
Obiettivi Il rack dovrà:
– Essere adattabile a più velivoli GA.
– Offrire la resistenza strutturale in condizioni di volo parabolico, di volo a vista e per atterraggi bruschi.
– Essere fissato alla struttura dell’aereo attraverso at- tacchi già esistenti.
– Permettere l’esecuzione di esperimenti in camera bianca.
– Disporre di un’alimentazione elettrica autonoma.
– Ospitare la sensoristica di monitoraggio della gravità e delle condizioni ambientali e la telemetria.
Il progetto sarà documentato in modo da permetterne la fabbricazione, la messa in esercizio e l’adattamento all’esperimento
Conclusione
Il prodotto corrisponde agli obiettivi posti.
– Il rack resiste ad una accelerazione di 3g e alle vibra- zioni generate dal velivolo; la sua massa è di 36 kg.
– La struttura è vincolata all'aereo mediante gli aggan- ci dei sedili.
– Il rack è costruito con profilati ultraleggeri ed è diviso in due vani, il primo dedicato all’esperimento, il se- condo all’energia e alla telemetria.
– Il vano esperimenti può ospitare un volume di 0.56 m3 e una massa di 159 kg.
– L’esperimento viene fissato su una piastra mille fori e può essere inserito in camera bianca.
– La telemetria e l’alimentazione sono alloggiate in un rack da 19” che permette di modulare la potenza e l’energia in funzione dell’esperimento e della durata del volo. La potenza massima offerta raggiunge 2 kW per tutta la durata del volo.
– Viene infine conservata la possibilità di caricare a bordo una persona.
Dimensionamento di un telaio
per esperimenti in condizioni di microgravità
Partner
Science Adventure Sagl
Francesco Lanzeni
Relatore Daniele Crivelli
Abstract
Un pendolo a impatto per la prova di resilienza con una capacità di 300J, vetusto ma perfettamente funzionan- te, è stato recuperato dall’istituto MEMTi. La macchina, oltre ad essere didatticamente interessante per la sem- plicità delle soluzioni adottate, consente di incremen- tare la capacità del laboratorio di scienza dei materiali, attualmente limitata a 50J.
L’obiettivo del presente progetto è di rimettere in fun- zione la macchina conformemente alle normative di si- curezza attuali.
Le analisi delle criticità della macchina e delle norma- tive di sicurezza vigenti hanno permesso di studiare gli interventi necessari per il ripristino. La macchina, com- pletamente revisionata, è stata rimessa in funzione ed i valori di misura sono stati verificati sperimentalmente.
La mazza è stata inoltre strumentata è permette ora di monitorare l’impatto nel tempo.
Obiettivi
L’obiettivo del progetto è di rimettere in funzione ed in sicurezza la macchina. Nello specifico si chiede di:
– Effettuare una completa revisione, sostituendo eventuali parti di usura;
– Creare un modello CAD completo e dettagliato, utile per lavori futuri;
– Analizzare la macchina e identificarne le criticità;
– Dotare la macchina dei necessari dispositivi di sicu- rezza;
– Strumentare la mazza.
Conclusione
La macchina è stata completamente smontata, revisio- nata e modellata tramite CAD.
Una analisi delle normative di sicurezza ha consentito di identificare le criticità, per le quali sono state proposte delle soluzioni di aggiornamento. Queste ultime consi- stono essenzialmente nelle protezioni che impediscono l’accesso alle parti di movimento e le sicurezze che im- pediscono l’avvio indesiderato della prova.
La mazza è stata strumentata mediante l’applicazione di estensimetri, scelti in base ad un’analisi delle defor- mazioni generate dalla forza di impatto calcolata su di un provino in acciaio. Il punzone è stato calibrato con delle prove statiche di compressione, misurando la forza e la deformazione rilevata dagli estensimetri.
Messa in servizio e strumentazione
di un pendolo a impatto per prove di resilienza
Simone Nolli
Relatore Daniele Crivelli
Abstract
La lavorazione dei metalli per deformazione plastica in- troduce nel componente delle tensioni residue che ne influenzano la resistenza statica e dinamica. È fonda- mentale conoscere l’entità di tali tensioni per consentire una corretta e affidabile progettazione dei componenti.
Con il presente progetto è stato messo a punto un me- todo di misura tramite estensimetri a rosetta forata per quantificare l’entità delle tensioni residue.
Il metodo è stato studiato basandosi su di un caso sem- plice, che permettesse di introdurre tensioni residue cal- colabili, e quantificabile mediante simulazioni numeri- che con gli elementi finiti (FEM).
La messa a punto della catena di misura e delle misure delle deformazioni a flessione semplice hanno permes- so di validare il funzionamento del metodo proposto.
Obiettivi
L’obiettivo del progetto è di studiare, mettere a punto e validare un metodo di misura tramite estensimetri a ro- setta forata per la quantificazione delle tensioni residue nelle lamiere.
Per la validazione del metodo è richiesto di:
– Comprendere l’argomento delle tensioni residue;
– Mettere a punto di un metodo di misurazione trami- te estensimetri a rosetta forata;
– Confrontare i risultati teorici e sperimentali appli- candoli ad un caso conosciuto;
– Validare il metodo di misurazione.
Conclusione
Il metodo di misura delle tensioni residue messo a punto utilizza degli estensimetri a rosetta forata della serie Y (con griglie nelle direzioni 0°, 90° e 135°) e segue le di- rettive della normativa ASTM E837-13. Per la scelta dei componenti ed il dimensionamento del sistema di mi- sura si è fatto riferimento alle tensioni residue generate su di una lamiera sottoposta a deformazione perma- nente tramite una prova di flessione a quattro punti, i cui effetti sono stati simulati e quantificati tramite una simulazione FEM. Le tensioni residue misurate speri- mentalmente vengono calcolate partendo dai valori di deformazione letti dalle tre griglie di misura e misurate tramite l’amplificatore MGGplus ed il relativo software di analisi Catman®. La validazione del metodo di misu- ra è stata effettuata con una lamiera sottoposta a fles- sione semplice. I risultati misurati sono stati confrontati con le deformazioni teoriche e hanno mostrato una dif- ferenza del 30%.
Tensioni residue, metodo di misura tramite estensimetri a rosetta forata
Partner Alcar
Daniele Orelli
Relatore Luca Cornolti
Abstract
La produzione di idrogeno tramite decomposizione ca- talitica del metano è un processo innovativo che suscita particolare interesse in quanto non produce CO2.
L’utilizzo di un catalizzatore in carbonio offre un ulte- riore vantaggio: il carbonio prodotto dalla reazione si deposita sulla superficie del catalizzatore la cui strut- tura può essere successivamente frantumata in polvere e venduta poiché composta da carbonio puro. Questo aspetto rende economicamente attrattivo il processo.
Trattandosi di una tecnologia in fase di sviluppo, la sua analisi tramite modellazione CFD risulta essere molto utile perché consente di comprenderlo meglio e di otti- mizzarlo fino a renderlo industrialmente attrattivo.
Nel presente lavoro è stato pertanto sviluppato un mo- dello CFD di un reattore di questo tipo e validato tramite dei dati sperimentali disponibili in letteratura.
Obiettivi
L’obiettivo del lavoro è analizzare e riprodurre gli espe- rimenti disponibili in letteratura inerenti alla produzione di idrogeno tramite decomposizione catalitica del me- tano attraverso un modello CFD computazionalmente poco oneroso che utilizza l’approccio dei mezzi porosi.
A tal fine, sono stati approfonditi i modelli di reazione chimica disponibili nel software ANSYS Fluent, ricercan- do quelli che meglio rappresentano il processo preso in considerazione. La validazione del modello completo si è basata sul confronto tra i risultati estratti dagli esperi- menti reali e quelli ottenuti dalle simulazioni CFD.
Conclusione
In questo lavoro sono stati identificati tutti i sotto-mo- delli che concorrono a simulare in maniera rappresen- tativa il processo di decomposizione catalitica del me- tano. Il modello CFD sviluppato risulta essere piuttosto semplice e computazionalmente poco oneroso. La tara- tura delle costanti identificate a tal fine ha permesso di riprodurre i risultati sperimentali esposti in letteratura. Il modello prodotto e validato contribuirà allo studio del processo e, in particolar modo, permetterà di esami- nare l’effetto di diverse configurazioni geometriche e parametri di processo sulla resa dello stesso limitando il numero di esperimenti alle sole configurazioni più pro- mettenti. Seppur questo processo non sia ancora com- mercializzato, ci si aspetta che attiri sempre maggior in- teresse negli anni futuri nel contesto della produzione di vettori energetici puliti.
Modellazione CFD del processo di produzione di idrogeno tramite decomposizione catalitica del metano
Neva Patocchi
Relatore
Davide Montorfano
Abstract
Questo lavoro si inserisce in una collana di progetti di studio DTI-SUPSI che mirano alla realizzazione di un impianto da laboratorio A-CAES (Adiabatic Compres- sed Air Energy Storage).
Tale tecnologia si basa su un ciclo termodinamico Brayton avente le fasi di compressione ed espansione separate. Ciò permette di immagazzinare l’eventuale energia elettrica in esubero disponibile in rete sotto for- ma di energia termica e di pressione in uscita dal com- pressore, nonché di ritornare all’energia elettrica, riscal- dando ed espandendo l’aria in turbina, nei periodi in cui la richiesta supera l’offerta.
Il presente progetto ha lo scopo di completare e ren- dere operativa la linea di carica del sistema studiato, costruendo un’interfaccia software adatta alla lettura dei segnali forniti dai sensori presenti. Il sistema è stato collaudato verificando andamento di portate, pressioni e temperature nei punti d’interesse dell’impianto per di- verse condizioni d’esercizio.
Obiettivi
– Risolvere questioni tecniche ancora pendenti, es.
apertura della valvola di ritegno in linea e compor- tamento anomalo del flussimetro, e completare la
linea di carica dell’impianto CAES sperimentale.
– Implementare il rilevamento dei segnali forniti e svi- luppare un’interfaccia utente LabVIEW per la lettura delle grandezze misurate.
– Collaudare e caratterizzare l’impianto realizzato.
Conclusione
Il lavoro svolto ha permesso di ultimare l’assemblag- gio della linea di carica. Alimentati i sensori e sviluppata l’interfaccia utente LabVIEW si sono eseguite delle pro- ve preliminari dalle quali sono emerse problematiche ri- guardanti la valvola di ritegno, la portata del compresso- re e i valori forniti dal flussimetro. Determinate verifiche sperimentali hanno permesso di individuare nella pre- senza di condensa nell’aria la causa principale di quest’ul- timo aspetto. Una prima caratterizzazione dell'impianto ha mostrato un andamento lineare della pressione e del- la temperatura nel serbatoio principale e una variazione ciclica delle stesse all'interno di quello ausiliario, coeren- temente con le accensioni e gli spegnimenti del com- pressore. Le sperimentazioni hanno evidenziato anche comportamenti inattesi, come temperature superficiali superiori alle soglie di sicurezza e una sensibilità della val- vola regolatrice di portata che rende difficoltoso il rispet- to del tempo di messa in servizio previsto.
Perfezionamento, strumentazione
e collaudo di un impianto CAES da laboratorio
Alem Puric
Relatore Matteo Dotta
Abstract
Gli attuatori idropneumatici del laboratorio SUPSI Dy- naMat servono ad effettuare delle prove di caratterizza- zione meccanica dei materiali con una velocità di defor- mazione compresa tra 0.1 e 100 s-1.
Si tratta di un meccanismo cilindro-pistone dove una camera è riempita con acqua e l’altra con aria compres- sa ad alta pressione. Una valvola a sfera commerciale permette all’acqua di uscire attraverso un ugello sotto la spinta dell’aria compressa in espansione. Si ottiene così un movimento del pistone a velocità costante.
Il progetto mira ad aumentare le prestazioni dell’attua- tore ed eliminarne alcuni difetti. Numerose prove hanno messo in evidenza delle irregolarità nella fase iniziale del movimento del pistone. Le cause risiedono 1. nella velo- cità insufficiente della valvola di uscita dell’acqua, 2. nella presenza di aria nella camera dell’acqua.
La valvola speciale (VIAR) frutto di un progetto prece- dente risolve il punto 1. Il punto 2 viene risolto modifi- cando la geometria della camera e il sistema di riempi- mento della camera dell’acqua.
DynaMat vorrebbe aumentare la forza disponibile per ampliare la gamma di prove realizzabili raddoppiando la pressione di esercizio
Obiettivi
Progettazione di un nuovo attuatore con:
– Forza utile raddoppiata.
– Movimento più regolare.
Analizzare gli altri problemi conosciuti, in particolare provare a ridurre la pressione residua a fine corsa per alleggerire il pistone. Il progetto sarà documentato in modo esaustivo per permettere la fabbricazione e la messa in servizio del prodotto.
Conclusione
L’analisi degli attuatori attuali ha permesso di indivi- duare i punti dove dell’aria è presente nella camera dell’acqua. Il condotto che collega la valvola con la ca- mera dell’acqua era la zona più critica ed è stato com- pletamente eliminato con l’impiego della valvola VIAR.
La geometria interna della camera è stata modificata per eliminare le zone cieche. In particolare sono stati modificati i condotti di entrata e di sfiato utilizzati per il riempimento. Nessuna delle soluzioni identificate per ridurre la pressione residua a fine corsa ha permesso di raggiunge l’obiettivo di riduzione di massa del pistone nel rispetto delle specifiche. La stima teorica della corsa del pistone necessaria è affetta da una incertezza con- siderevole, per cui si propone la verifica sperimentale come ulteriore sviluppo.
Miglioramento di un attuatore idropneumatico
Luca Ronzani
Relatore
Jonathan Roncolato
Abstract
Il lavoro si è focalizzato sullo sviluppo e l’analisi di un si- stema di accumulo di energia termica a letto di rocce a flusso orizzontale. L’interesse nell’analisi di questa va- riante è motivato dal quantificare eventuali vantaggi in termini di prestazioni o costruttivi rispetto alla soluzione assiale.
La prima parte del progetto ha riguardato l’identifica- zione di un set di indicatori per la valutazione delle pre- stazioni. Questi sono stati applicati a simulazioni 2D derivanti da un precedente lavoro di confronto tra con- figurazione assiale e radiale.
In un secondo momento si è proposto un progetto det- tagliato della configurazione radiale, cercando di otti- mizzare le criticità emerse nelle precedenti simulazioni.
La preparazione del CAD e della relativa mesh ha per- messo l’analisi transitoria di un ottavo di componente, che per limiti computazionali è stato ridotto in scala (1:10).
I risultati sono stati in seguito eleborati sulla base degli indici precedentemente identificati, permettendo una comparazione tra i casi 2D e il design finale.
Obiettivi
– Apprendimento del funzionamento del sistema di accumulo termico a letto di rocce.
– Analisi critica dei risultati delle simulazioni 2D pre- cedenti e l’identificazione di indici di prestazione per valutare la bontà dei layout analizzati.
– Proposta di un layout 3D per un TES a flusso radiale sulla base dell’esperienza maturata.
– Simulazione e quantificazione delle prestazioni del layout proposto.
Conclusione
Gli indici identificati di prestazione includono i rendi- menti di primo e secondo principio, il rendimento di stratificazione, le perdite di pressione attraverso il siste- ma e la distribuzione delle termocline a diverse altezze del letto di rocce.
La creazione del layout proposto ha incluso elementi atti a migliorare la fluidodinamica del sistema, limitando ricircoli di fluido che andrebbero ad impattare sulla di- stribuzione di temperatura nel letto di rocce.
Le simulazioni transitorie hanno analizzato il succedersi di 10 cicli di carica e scarica completi, suggerendo il rag- giungimento di condizioni di funzionamento pressoché stabili. Si raggiungono rendimenti di primo principio at- torno al 98%, al 90.8% in termini exergetici ed una effi- cienza di stratificazione del 40%.
