ESAMI DI STATO DI ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI
INGEGNERE IUNIOR
Prima Sessione 2008 – Sezione B – Settore industriale
Prova pratica di progettazione
Tema n. 1 – Settore industriale
Un sistema termoidraulico ad acqua sottrae calore ad una sostanza alimentare oleosa e lo cede all'ambiente esterno. In
particolare, una portata di 4.5 L/min di acqua, dopo aver ceduto calore ad una portata di aria prelevata dall'ambiente
esterno tramite uno scambiatore a fascio tubiero, esce dallo scambiatore suddetto ad una temperatura di 27°C e viene
trasferita attraverso un tratto di linea di idraulica orizzontale, isolata per limitare le cessioni di calore al locale
attraversato. La linea prosegue poi all’interno di un serbatoio sferico contenente la sostanza alimentare da raffreddare,
ove forma uno scambiatore di calore a serpentina (vedi schema), e infine ritorna allo scambiatore di calore a fascio
tubiero sopra menzionato tramite un secondo tratto di linea idraulica orizzontale. La portata richiesta è assicurata da una
pompa installata subito a monte dello scambiatore a fascio tubiero. Un regolatore di pressione impone una pressione
pari a 1.5 bar subito a valle dello scambiatore di calore a serpentina. Le (4) valvole di intercettazione indicate nello
schema permettono di isolare ogni tratto del circuito. I tubi, nei tratti esposti al locale attraversato, sono isolati da una
calza di neoprene.
Il serbatoio contenente la sostanza alimentare presenta una camera di accumulo sferica, le cui pareti sono costituite da
due gusci in fogli di acciaio AISI 316 tra i quali è interposto uno strato di poliuretano espanso. L'isolamento è
necessario a limitare il calore ricevuto dall'ambiente di installazione, posto alla temperatura di 80°C. Le superfici
esterne del serbatoio, sostenuto da un telaio, sono tutte verniciate con vernice nera opaca ed esposte all’aria del locale in
cui il serbatoio è installato. Nel serbatoio è incorporato un agitatore che mantiene uniforme la temperatura della
sostanza alimentare ed assicura una velocità media della sostanza stessa di 1.2 m/s in direzione ortogonale all’asse dei
tubi.
Tutte le superfici esposte all’aria scambiano calore per convezione naturale ed irraggiamento, con coefficiente di
adduzione stimato pari a 9 W/(m2K).
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Caratteristiche della linea idraulica e dello scambiatore di calore a serpentina:
Materiale tubazioni:
conducibilità termica di calcolo AISI 316:
Diametro interno tubazioni:
Scabrezza relativa (dopo invecchiamento)
Spessore di parete tubazioni:
Lunghezza tratto di linea da scambiatore aria/acqua a serbatoio (12):
Temperatura media del locale attraversato:
Lunghezza tratto di linea a serpentina nel serbatoio (23):
Lunghezza tratto di linea da serbatoio a pompa/scambiatore aria-acqua (34):
Temperatura media del locale attraversato:
Spessore calza termoisolante in neoprene:
Conduttività termica di calcolo del neoprene:
Coefficiente di perdita di carico valvole di intercettazione:
Caratteristiche dello scambiatore di calore a fascio tubiero:
Scambiatore a flussi incrociati, tubi lato aria alettati
Coefficiente di perdita di carico lato liquido:
Temperatura di ingresso aria:
Portata aria:
Caratteristiche del serbatoio
Capacità
Spessore fogli di acciaio AISI 316:
conducibilità termica di calcolo AISI 316:
Spessore poliuretano espanso (PUE):
conducibilità termica di calcolo PUE:
Temperatura media del locale di installazione:
Caratteristiche della pompa di circolazione
Proprietà termofisiche della sostanza alimentare (valori medi)
Densità
Calore specifico
Conduttività termica
Viscosità dinamica
acciaio AISI 316
13.4 W/(m K).
23.8 mm
0.2 mm
0.8 mm
25.0 m
20°C
4.5 m
25 m
20°C
30 mm
0.050 W/(m K)
6 (aperte)
30
20°C
1800 m3/h
1500 L
2 mm
13.4 W/(m K).
40 mm
0.030 W/(m K).
80°C
vedi diagrammi in allegato
950 kg/m3
3200 J/(kg°C)
0.35 W/(m°C)
0.20 kg/(ms)
Verificare:
Le perdite di carico al netto dell'azione della valvola di regolazione
La prevalenza effettiva che la pompa deve assicurare alla portata di progetto, sulla base della curva
caratteristica sotto riportata
Il coefficiente di perdita di carico da imporre mediante la specifica valvola di regolazione, installata subito a
valle della pompa, per assicurare la portata di progetto
La potenza meccanica assorbita dalla pompa, sulla base del rendimento della pompa stessa ricavabile dal
diagramma sotto riportato
Il valore del coefficiente di scambio termico convettivo sulle superfici interne della tubazione, lato acqua
La temperatura dell’acqua all’uscita della linea da scambiatore a fascio tubiero a scambiatore a serpentina
La potenza termica dispersa nel locale attraversato dalla linea suddetta
Il valore del coefficiente di scambio termico convettivo sulle superfici esterne del tratto di tubazione a
serpentina, lato sostanza alimentare
La potenza termica scambiata tra sostanza alimentare e acqua tramite lo scambiatore a serpentina, in
condizioni di equilibrio termico del serbatoio con l’ambiente di installazione (si assuma a tal scopo il
coefficiente di scambio termico convettivo tra sostanza alimentare e superfici interne delle pareti del serbatoio
uguale a quello tra sostanza alimentare e superficie esterna dello scambiatore e serpentina)
La potenza termica che attraversa le pareti del serbatoio (ceduta dal locale di installazione alla sostanza
alimentare) in condizioni di equilibrio termico
La temperatura che si raggiunge nella sostanza alimentare all’interno del serbatoio in condizioni di equilibrio
termico del serbatoio con l’ambiente di installazione
N.B.
Il realismo è stato talora sacrificato a favore della rapidità dei calcoli da svolgersi.
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In prima approssimazione, si possono utilizzare le proprietà dei fluidi alla temperatura a cui entrano nei vari elementi
del sistema, verificando a posteriori se tale ipotesi è accettabile.
Ove non si disponga di sufficienti informazioni, si consiglia di operare in favore di sicurezza, dichiarando
esplicitamente le assunzioni formulate in tal senso. Prestare attenzione agli errori di troncamento.
Curva caratteristica pompa
25
Dpp [bar]
20
15
10
5
V' [L/min]
0
0
2
4
6
8
10
8
10
Curva di rendimento pompa
100
hp [%]
80
60
40
20
V' [L/min]
0
0
2
4
6
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Tema n. 2 – Settore industriale
Il candidato provveda al dimensionamento di un gruppo riduttore per applicazioni industriale che trasmetta una
potenza di 9,3 kW. Il gruppo sia comandato da un motore elettrico rotante, a regime, ad una velocità di 2650 rpm. Per
l’utenza finale sia prevista una velocità di rotazione di 1200 rpm, con possibilità di invertire il senso di rotazione del
motore. La riduzione sia eseguita adottando due coppie di rotismi.
Si disegni uno schema di massima del gruppo. Si ipotizzino i materiali da utilizzare e si dimensionino i
principali organi (alberi, cuscinetti, …) per una vita a fatica infinita con una scelta del coefficiente di sicurezza
ragionevole e motivata.
Si esegua un disegno costruttivo quotato degli alberi.
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Tema n. 3 – Settore industriale
d2
a3
d1
a2
a1
b1
b22
b21
c1
M
c2
Si consideri il meccanismo di figura costituito da un motore M, una coppia di dischi d1 e d2 collegati tra loro da un
albero intermedio a2, che azionano tre manovellismi di spinta: uno intermedio che termina con un corsoio c1, e due
laterali che condividono il corsoio c2. Il sistema deve essere inserito in una macchina di confezionamento di prodotti
alimentari ed ha lo scopo di trasferire i prodotti finiti ad una linea successiva: i pacchetti, depositati sulla faccia
superiore del corsoio c2 quando quello c1 si trova a metà della sua corsa, vengono spinti dal corsoio c1 che li fa
strisciare fino a farli cadere in avanti (nella posizione di figura).
Considerando trascurabili le dimensioni verticali dei corsoi rispetto alle lunghezze delle bielle – snelle a sezione
prismatica – quindi trattando i manovellismi come se fossero centrati, si richiede di:
determinare la lunghezza delle bielle e le posizioni radiale ed angolare dei collegamenti ai dischi che
garantiscono una distanza massima del centro geometrico del corsoio c1 dall’asse dei dischi pari a 460 mm,
una corsa del corsoio c1 pari a 160 mm e fissate posizioni relative tra i due corsoi (differenza tra le posizioni di
c1 e c2) per tre differenti configurazioni del manovellismo centrale: +73 mm al punto morto superiore, -32 mm
al punto morto inferiore e -16 mm in posizione intermedia del corsoio.
Noti i parametri in tabella:
0.2 kg
massa biella manovellismo centrale b1
0.4 kg
massa corsoio manovellismo centrale c1
0.15 kg
massa biella manovellismo laterale b21 (b22)
0.55 kg
massa corsoio manovellismi laterali c2
0.62 kg
massa albero di collegamento motore-disco a1
30 mm
diametro albero di collegamento motore-disco a1
0.35 kg
massa albero di collegamento dischi a2
20 mm
diametro albero di collegamento dischi a2
0.48 kg
massa albero di collegamento disco-appoggio a3
30 mm
diametro albero di collegamento disco-appoggio a3
10 mm
spessore disco d1 (d2) di acciaio
scegliere tipologia e taglia dell’azionamento elettrico e rapporto di trasmissione dell’eventuale (se necessario)
riduttore – trascurando tutte le forze d’attrito radente – per movimentare pacchetti di massa pari a 0.5 kg ad
una velocità massima di 0.3 m/s;
determinare il momento d’inerzia del volano da inserire nel sistema per ottenere un grado di irregolarità pari a
1/100 sapendo che la differenza massima tra lavori positivi (motore e d’inerzia delle masse alterne) e negativi
(resistente e perduto) del sistema è pari a 0.12 Nm e quella minima risulta essere -0.03 Nm.
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Tema n. 4 – Settore industriale
L’azienda Alfa S.p.A. ha deciso di trasferirsi in una nuova ubicazione. Per questa ragione ha
acquistato lo stabile di figura.
L’azienda deve collocare rispettivamente:
1. nella campata di capannone definita “campata 1” (altezza dello stabile al sottotrave 22200 mm)
un magazzino intensivo servito da trasloelevatori a scaffalature bifronte a semplice profondità per
lo stoccaggio di contenitori in plastica di dimensioni 800 x 800 x 600 (altezza) [mm].
2. nella campata di capannone definita “campata 2” (altezza dello stabile al sottotrave 7200 mm)
un magazzino tradizionale a scaffalature bifronte a semplice profondità che contenga la stessa
quantità di due tipi differenti di pallet:
a) europallet 1200 x 1200 x 1500 (altezza) [mm];
b) pallet fuori standard 1200 x 600 x 1480 (altezza) [mm].
Il magazzino sia servito da 2 carrelli elevatori frontali a 3 ruote.
Determinare:
1. Il numero di unità di carico stoccabili per le diverse tipologie di pallet nelle differenti campate.
2. Gli indici di saturazione in termini di pallet/m2 e pallet/m3 per le diverse tipologie di pallet nelle
differenti campate.
3. Il dimensionamento delle baie di scambio materiale e delle regioni in testata alle scaffalature.
4. Lo schema sulla pianta del sistema progettato (utilizzare il testo dell’esame).
5. La mappatura temporale dei due differenti magazzini in base alle velocità medie dei mezzi
impiegati.
6. Il flusso medio che si può ottenere in termini di missioni al giorno (cicli semplici e cicli
combinati su 8 ore di lavoro) ottenibile nelle due regioni di stoccaggio.
7. Considerando anche le accelerazioni e le decelerazioni del trasloelevatore, determinare il tempo effettivo
per l’esecuzione di una missione di deposito del materiale nel vano più lontano (in termini temporali) della
scaffalatura progettata.
8. Determinare l’impatto, in termini di giacenza e flusso, dell’impiego di un carrello trilaterale nella regione
“campata2”.
Per i dati non esplicitamente riportati fare riferimento a norme di buon progetto.
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Planimetria
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ESAMI DI STATO DI ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI
INGEGNERE
Prima Sessione 2008 – Sezione B – Settore dell’informazione
Prova pratica di progettazione
Tema n. 5 – Settore dell’informazione
Una società che si occupa del riciclaggio dei rifiuti di carta per una grande città desidera migliorare la propria
organizzazione attraverso l’uso di un sistema informatico, e per questo ha contattato la tua software house allo scopo di
procedere ad un’analisi del problema. Le informazioni che fornisce sono riassunte nei seguenti punti:
-
La carta da riciclare proviene sia dai privati sia da aziende. Per la carta dei privati la società colloca nel
territorio specifici contenitori dedicati alla raccolta differenziata che provvede a svuotare con una certa
frequenza. Per la carta delle aziende installa presso di loro altri contenitori ed attende la loro chiamata per
procedere alla sostituzione con contenitori vuoti.
-
La società deve tenere traccia di tutti i contenitori sparsi nel territorio registrandone le caratteristiche (es.
dimensioni), i tempi di collocazione, i movimenti eccetera. Deve inoltre gestire la propria flotta di automezzi
con cui movimentare i contenitori, e pianificare i giri di raccolta sulla base della loro disponibilità quotidiana.
-
La carta raccolta viene selezionata da macchine automatiche e il risultato è un grande numero di balle ciascuna
contenente carta di un certo tipo/qualità. Le entrate della società sono costituite dalla vendita delle balle a
mulini della carta che la impiegano per produrre carta nuova. La società vuole registrare i propri clienti e le
vendite di carta a ciascuno di loro.
Gli utenti del sistema sono quindi i programmatori (interni) della raccolta della carta, i gestori (interni) della flotta e
dello stato dei mezzi, i gestori (interni) del magazzino della carta da selezionare e delle balle già confezionate, le
aziende utenti (esterne) presso cui sono collocati i contenitori e che segnalano il loro riempimento, i clienti (esterni) che
ordinano balle di carta.
Il candidato è invitato a dettagliare e ad integrare queste specifiche a suo piacimento allo scopo di focalizzare il
progetto. Si richiede poi di:
a)
Definire i principali Use Case.
b) Produrre una versione di tentativo del Class Diagram (o l’equivalente schema E/R).
c)
Fornire una rappresentazione funzionale e dinamica del sistema attraverso Activity Diagram e/o Sequence Diagram
e/o State Chart.
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Tema n. 6 – Settore dell’informazione
E’ richiesto al candidato di:
(1) con riferimento al circuito di Figura 1:
1a. calcolare il punto di lavoro di ogni transistor (Ic,Vce);
1b. calcolare il guadagno di tensione a media frequenza AV=Vout/Vin;
1c. dimensionare il valore delle capacità C1 e C2 per limitare banda passante dell’amplificatore da 20Hz a
20kHz;
(2) con riferimento al circuito di Figura 2:
2a. assumendo l’amplificatore operazionale ideale derivare, in forma simbolica, la funzione di trasferimento
AV (s)=Vout(s)/Vin(s);
2b. rappresentare i diagrammi di Bode del modulo e della fase della funzione di trasferimento;
2c. valutare l’impatto delle seguenti non-idealità dell’amplificatore operazionale:
tensione di offset (Vos=±2mV), correnti di bias (Ib=±1A), corrente di offset (Ios=±0.5A)
massima tensione di uscita (|Vo_max|=10V), massima corrente di uscita (|Io_max|=2mA), Slew Rate
(SR=10V/s)
guadagno statico (Ad) e prodotto banda-guadagno (fT) finiti (Ad=105, fT=1MHz)
(per quest’ultimo punto è sufficiente descrivere qualitativamente come si modificano i diagrammi di Bode
della risposta in frequenza complessiva)
(3) descrivere i passi necessari per la realizzazione di un prototipo dei due circuiti ed il set-up di misura richiesto
per la verifica sperimentale del corretto funzionamento.
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Tema n. 7 – Settore dell’informazione
Si consideri il sistema lineare stazionario a tempo continuo (filtro) caratterizzato dalla seguente funzione di
trasferimento
H ( s)
s
1 3 s 2 2 s 2
Si desidera simulare tale filtro con un sistema tempo discreto progettato secondo la tecnica dell’invarianza impulsiva
con una frequenza di campionamento f c 1/(2 ln 2) . Si chiede di determinare l’equazione alle differenze che
regola il comportamento del sistema ottenuto e di rappresentare la forma canonica associata.
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