The course requirements are a knowledge of calculus, applied thermodynamics and thermal machines.

Propagation of uncertainties. Uncertainty in Sums and Differences. Uncertainty in Products and Quotients. Independent Uncertainties. Arbitrary functions of one variable. Propagation step by step. General formula for error propagation.

Statistical analysis of random uncertainties. Random and Systematic Errors. The Mean and Standard Deviation. The Standard Deviation of the Mean. Histograms and Distributions. Limiting Distributions. The Normal Distribution. 

Psychrometrics. The saturation line, relative humidity, humidity ratio, enthalpy and specific volume of the air-vapour mixture. Combined heat and mass transfer: the straight-line law. Adiabatic saturation and thermodynamic wet-bulb temperature. The psychrometric chart. Typical air-conditioning processes. Examples.

All-air HVAC systems. Introduction to all-air systems. Psychrometric analysis of an air conditioned space. The condition/load-ratio line. The coil process line. Single zone systems. Constant-volume multiple-zone systems (reheat, dual duct). Multizone systems. Variable Air Volume (VAV) systems: single duct, with reheat, dual-duct. Fans and VAV systems: centrifugal fans, performance curves, fan laws, outlet damper control, variable inlet vane control, variable frequency drive control. The central all-air HVAC system: advantages and disadvantages.

Air-and-water, All-water and Unitary HVAC systems. Air-and-water systems: working principle, layout and main features, differences compared to all-air systems, terminal units (fan-coil and induction units). All-water systems: working principle and main features, terminal unit (unit ventilator), water distribution systems (two pipes, four pipes). Unitary systems: main features and differences to central systems, room air conditioners, split systems, rooftop packaged units.

Refrigeration systems. Refrigeration and heat pump cycle. Coefficient of performance. The vapour compression cycle: vapour pressure curve and working principle, configuration, thermodynamic diagrams, components (evaporator, compressor, condenser, throttling valve) and processes. Two stage compression refrigerating cycles: removal of flash gas, intercooling, two compressors and one evaporator, two compressors and two evaporators. Refrigerants. Compressors.

Introduction to Arduino. The Arduino hardware and software. Blinking an LED. Using a pushbutton to control the LED. The infrared sensor switch. Working with analog sensors: potentiometer and photoresistor. Serial communication. Measuring temperature. Temperature and humidity sensor. Current transformers and energy monitoring. Driving bigger loads using mosfets and relays. The Arduino's family: alternative Microcontroller (MCU) platforms. The board ESP32. Connectivity protocols. Sensors and Actuators. Prototyping basics.

Introduction to Aspen Plus. The flowsheet simulation. Sequential Modular versus Equation Oriented modelling approach. Structure of a simulation program. The Properties environment. The Simulation environment. Sensitivity analysis, Design Specifications and Calculator Blocks. Flowsheet convergence. Example: simulation of a gas turbine.

 

 

The aim of this block (1/3) of course is to present in greater detail some selected topics of energy management and to show some useful tools for an energy manager. The focus will be on the heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems, which in most buildings are usually the largest consumer of energy; the vapour compression refrigerating systems on which most air-conditioning plants rely; the error analysis which is important for the accuracy of an energy audit; physical computing using the Arduino open source electronics prototyping platform; modelling of energy systems using the Aspen Plus process simulator. 

Frontal lessons in the classroom

Oral exam with questions on the topics presented during the lessons and included in the slides

Roosa S.A., Doty S., Turner W., Energy Management Handbook, River Publishers, 2020 (or previous editions)

Other textbooks on specific topics (error analysis, HVAC, refrigeration systems, Arduino, etc.) will be suggested during the lessons and shown in the slides' references.

Conoscenze di base di Statistica, Fisica Tecnica, Elettrotecnica, Meccanica dei Fluidi, Meccanica dei Solidi, Macchine a Fluido.

Nel corso vengono trattati gli strumenti e le tecniche di misura utilizzati nell’ambito delle macchine a fluido e dei sistemi energetici. Viene inizialmente presentato il concetto di misura e vengono descritti gli elementi funzionali di uno strumento generico di misurazione, sono poi introdotti dei criteri di classificazione degli strumenti, i sistemi di unità di misura e le problematiche relative all’errore di misura. Vengono presentate le caratteristiche statiche più significative e comunemente utilizzate al fine di descrivere le prestazioni di uno strumento di misura, unitamente al processo di taratura statica. Viene poi presentato il modello matematico generale per descrivere il comportamento dinamico dei sistemi di misura e viene introdotto il concetto di funzione di trasferimento. Vengono presentati i modelli matematici di strumenti elementari, la loro risposta ad ingressi canonici e le principali caratteristiche dinamiche. Viene estesa l’analisi della risposta dinamica anche ad ingressi più complessi di tipo periodico o transitorio tramite il calcolo degli spettri in frequenza, sono inoltre studiate le tecniche di elaborazione ed analisi dei dati sperimentali. Nella seconda parte del corso vengono affrontati più nello specifico i principi di funzionamento e le caratteristiche degli strumenti di misura più utilizzati in ambito macchinistico. In questo ambito vengono anche presentati alcuni metodi di condizionamento dei segnali generati dai sistemi di misura, in particolare i circuiti a ponte, i filtri di frequenza, e alcuni cenni sui metodi di registrazione dei dati.

COMPETENZE SPECIFICHE

Il corso ha l’obiettivo di far conoscere allo studente le problematiche riguardanti la caratterizzazione sperimentale delle macchine a fluido. Al termine del corso lo studente dovrà conoscere le funzionalità degli strumenti di misura utilizzati in laboratorio per il rilievo di grandezze caratterizzanti le macchine a fluido e i sistemi energetici; dovrà essere in grado di scegliere opportunamente gli strumenti e le tecniche più adeguati per l’esecuzione di misure, saper elaborare ed interpretare i dati sperimentali, saper utilizzare degli strumenti software per il post processing dei dati acquisiti.

COMPETENZE TRASVERSALI

Lo studente svilupperà capacità critiche e di giudizio attraverso la conduzione di prove sperimentali al banco e la successiva elaborazione ed analisi dei dati attraverso strumenti software proposti dal docente, acquisirà inoltre delle competenze di base sulla modellazione di sistemi dinamici tramite l’analisi della risposta dinamica degli strumenti di misura condotta in laboratorio di calcolo avanzato. Tali attività saranno sintetizzate attraverso degli elaborati che contribuiranno a sviluppare anche la capacità di presentare i risultati in modo adeguato.

Le attività didattiche includono lezioni frontali, esercitazioni svolte in aula, esercitazioni svolte nel laboratorio di calcolo avanzato ed attività sperimentali condotte nel laboratorio di motori a combustione interna e nel laboratorio didattico di macchine a fluido. Le lezioni sono svolte con l'ausilio della tavoletta grafica e del pc collegato al proiettore che consente di presentare in modo efficace i contenuti sia agli studenti in presenza che agli studenti a distanza. Le attività di laboratorio consistono nel condurre prove su attrezzature sperimentali e nell'acquisizione di dati. Le esercitazioni consistono nell'elaborazione dei dati acquisiti mediante software specifici (Excel e Matlab/Simulink). Per quanto riguarda l’erogazione della didattica a distanza, lo svolgimento delle lezioni e delle esercitazioni avviene in modalità sincrona secondo l’orario ufficiale, ma le lezioni vengono registrate e rese disponibili agli studenti anche per una fruizione asincrona. Le attività sperimentali di laboratorio di motori a combustione interne saranno condotte in presenza mentre quelle di macchine a fluido saranno condotte sia in presenza che mediante video pre-registrati dal docente.

La valutazione sarà effettuata mediante esame scritto individuale. La prova scritta sarà articolata in una serie di domande volte a valutare la conoscenza degli argomenti presentati, la capacità di analisi critica di scelte progettuali adottate nei casi studio proposti dal docente, la capacità di esporre con proprietà di linguaggio. Per l’esame lo studente dovrà inoltre preparare una relazione contenente le esercitazioni svolte durante il corso, contenenti ipotesi di lavoro, scelte progettuali e risultati ottenuti.

Nella valutazione verrà seguita la seguente griglia:

 

Voto < 18 insufficiente

Conoscenze frammentarie e superficiali dei contenuti, errori nell’applicare i principi fisici alla base del funzionamento dei vari strumenti di misura, esposizione carente.

 

Voto 18 - 20

Conoscenza dei contenuti sufficiente ma poco approfondita, incertezze nell’applicazione dei  principi fisici alla base del funzionamento dei vari strumenti di misura, esposizione dei contenuti in modo semplice con qualche imprecisione terminologica.

 

Voto 21 - 23

Conoscenze dei contenuti appropriate ma non approfondite, sufficiente capacità di applicare i principi fisici alla base del funzionamento dei vari strumenti di misura, capacità di presentare i contenuti in modo semplice ma sostanzialmente corretto.

 

Voto 24 - 25

Conoscenze dei contenuti appropriate ed ampie, discreta capacità di applicare i principi fisici alla base del funzionamento dei vari strumenti di misura, capacità di presentare i contenuti in modo corretto.

 

Voto 26 - 27

Conoscenze dei contenuti precise e complete, buona capacità di applicare i principi fisici alla base del funzionamento dei vari strumenti di misura, buona capacità di analisi, esposizione chiara e corretta.

 

Voto 28 - 29

Conoscenze dei contenuti ampie, complete ed approfondite, buona applicazione dei principi fisici alla base del funzionamento dei vari strumenti di misura, buona capacità di analisi e di sintesi, esposizione sicura e corretta.

 

Voto 30, 30 e lode

Conoscenze dei contenuti molto ampie, complete ed approfondite, capacità ben consolidata di applicazione dei principi fisici alla base del funzionamento dei vari strumenti di misura, ottima capacità di analisi, di sintesi e di collegamento, padronanza di esposizione.

 

Concetti introduttivi

Generalità del concetto di misura: definizioni e normativa. Configurazioni generali di strumenti di misura e schemi a blocchi funzionali. Applicazioni di strumentazioni in vari campi: esempi.

I sistemi di unità di misura

Cenni storici. Grandezze fisiche fondamentali e derivate. Sistemi assoluti e sistemi tecnici. Il Sistema Internazionale. Riferibilità di una misura.

Incertezza di Misura

Definizione e rappresentazione della misura. Normativa di riferimento. Definizione, rappresentazione e calcolo dell’incertezza di misura. Incertezza di misura estesa e sua propagazione.

Caratteristiche statiche di uno strumento

Taratura statica e curva di taratura. Elaborazione statistica dei dati. Caratteristiche metrologiche: accuratezza, sensibilità, soglia, risoluzione, isteresi, linearità. Incertezza: definizioni e normativa, analisi e determinazione.

Caratteristiche dinamiche di uno strumento

Rappresentazione analitica del comportamento dinamico di uno strumento. Richiami ai metodi di soluzione delle equazioni differenziali ordinarie, lineari, a coefficenti costanti. Funzioni di trasferimento: operazionale, laplaciana, sinusoidale.

Risposta dinamica di strumenti elementari a vari tipi di ingresso. Strumenti di ordine zero: equazione, esempio di strumento (potenziometro), risposta ad ingressi canonici: gradino, risposta in frequenza. Strumenti del primo ordine: equazione, esempio di strumento (termometro a colonna di liquido), risposta ad ingressi canonici: gradino, rampa, risposta in frequenza, impulso. Strumenti del secondo ordine: equazione, esempio di strumento (dinamometro a molla), risposta ad ingressi canonici: gradino, rampa, risposta in frequenza, impulso. Strumenti a tempo morto: equazione, esempio di strumento (trasmissione di segnali pneumatici), risposta ad ingressi canonici: gradino, rampa, risposta in frequenza, impulso.

Elementi di analisi del segnale

Segnali periodici, transitori e casuali. Risposta di uno strumento generico a un ingresso periodico: serie di Fourier, spettro (discreto) del segnale in ingresso, spettro (discreto) del segnale di uscita. Risposta di uno strumento generico a un ingresso transitorio: trasformata diretta di Fourier, spettro (continuo) del segnale in ingresso, spettro (continuo) del segnale di uscita, trasformata inversa di Fourier.

Filtri di frequenza

Filtri passa-basso (del primo e secondo ordine), Filtri passa-alto, Filtri passa banda, Filtri soppressori di banda.

Campionamento

Segnali analogici e segnali digitali, Conversione analogico-digitale, Frequenza di campionamento, Errore di aliasing.

Misure di spostamento relativo

Potenziometri, Trasformatori differenziali, Trasduttori a variazione di induttanza, Encoders incrementali e assoluti.

Misure di velocità relativa angolare e traslazionale

Basate su captatori di prossimità a riluttanza variabile o a effetto Hall, Basati su encoders, Flyball, Metodi stroboscopici, Tachimetri a correnti parassite, Sonde a bobina mobile.

Misure di deformazione

Estensimetri elettrici, Trasduttori piezoelettrici.

Misure di spostamento, velocità e accelerazione assoluti

Strumenti inerziali o sismici. Sensori di spostamento sismici (vibrometri). Sonde sismiche per la misura di velocità. Sonde sismiche di accelerazione (accelerometri). Tipologie di accelerometri a deflessione. Accelerometri piezoelettrici.

Misure di forza, coppia e potenza

Bilance: analitica, a pendolo, a piattaforma (stadera), elettromagnetica. Celle di carico: a deflessione, estensimetriche, piezoelettriche, pneumatiche, idrauliche. Torsiometri.

Misure di portata dei fluidi

Misuratori di portata a strozzamento: diaframma, boccaglio, tubo di venturi, elementi a flusso laminare. Rotametri, Misuratori a turbina, Misuratori di portata elettromagnetici, Misuratori ad ultrasuoni (a tempo di transito o basati sull’effetto Doppler), Misuratori di flusso a distacco di vortici.

Misure di velocità dei fluidi

Tubo di Pitot e tubo statico di Pitot. Anemometri a filo (o a film) caldo: a corrente costante e a temperatura costante.

Misure di pressione

Manometro differenziale, manometro Bourdon.

Misure di temperatura

Termometri a espansione: a liquido in vetro, bimetallici, a pressione. Termocoppie. Termoresistenze. Termistori.

Laboratorio informatico

Sviluppo di modelli in ambiente Matlab/Simulink di strumenti di misura del primo ordine e del secondo ordine e analisi della risposta ad ingressi canonici: gradino, rampa, sinusoidale, impulso.

Sviluppo di un modello in ambiente Matlab/Simulink per il calcolo dello spettro in frequenza di segnali periodici.

Laboratorio Motori a combustione interna

Testing sulla caratterizzazione del motore a combustione interna al variare del regime di rotazione e del carico. Utilizzo degli strumenti di misura introdotti nel corso, acquisizione ed elaborazione dei segnali.

Laboratorio didattico elettropompa

Caratterizzazione di un’elettropompa, in configurazione serie/parallelo, al variare della caratteristica dell’impianto esterno. Utilizzo e lettura delle misure con strumenti introdotti durante il corso.

Testo di riferimento:

E.O. Doebelin, Strumenti e Metodi di misura, Seconda Edizione, McGraw Hill, 2008.

Altri testi di consultazione:

R.S. Figliola, D.E. Beasley, Theory and design for Mechanical Measurements, 7a edizione, Wiley, 2019.

G. Minelli, Misure Meccaniche, 2a Edizione, Patron Editore, 1974.

G.L. Berta, A. Vacca, Sperimentazione sui motori a combustione interna, Monte Università Parma Editore, 2005.

A. Zanobini, S. Giovannetti, Incertezza di Misura e Acquisizione dei Segnali - Teoria ed esercizi risolti, Società editrice Esculapio, 2013

P.M. Azzoni, Strumenti e misure per l’ingegneria meccanica - Avvio alla comprensione delle moderne tecniche sperimentali, Hoepli, 2006

G. Rossi, Misure meccaniche e termiche: basi teoriche e principali sensori e strumenti, Carocci, 2010.

F. Angrilli, Corso di misure meccaniche, termiche e collaudi, Volumi I e II, 2a Edizione, Cedam 2005.

G. Fanti, Teoria e pratica della misurazione, Edizioni Libreria Progetto, 2018

A.J. Wheeler, A.R. Ganji, Introduction to Engineering Experimentation, 3a Edizione, Pearson College Div., 2010.

A.S. Morris, Measurement and Instrumentation Principles, 3a Edizione, Butterworth Heinemann, 2001.

J.P. Holman, Experimental Methods for Engineers, 8a Edizione, McGraw-Hill, 2012.

E.O. Doebelin, System Dynamics: Modeling, Analysis, Simulation, Design, Marcel Dekker, 1998.

J.W. Dally, W.F. Riley, K.G. McConnell, Instrumentation for Engineering Measurements, Wiley, 1984.