Sapienza - Università degli Studi di Roma · 2017-10-26 · Sapienza - Università degli Studi di...

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Esame di Stato per l'abilitazione all’esercizio della professione di Ingegnere – Sezione Industriale - II Sessione 2016

Sezione A PROVA PRATICA 27 Gennaio 2017

Tema n° 1 – Sicurezza e Protezione Civile

In un centro di elaborazione dati (CED), attività soggetta ai controlli di prevenzione incendi, è prevista l’installazione di un sistema di controllo incendi (impianto di rivelazione fumi) realizzato mediante sensori ottici. La copertura dell’area risulta non uniforme (cfr. Figura) per la presenza in alcune zone di apparecchiature soggette a surriscaldamento. I sensori costituenti il sistema provengono da tre differenti forniture (a, b e c) con probabilità di guasto dichiarate (fornitura a: pa = 4.9*10-4; fornitura b: pb = 1.7*10-4; fornitura c: pc = 9.7*10-5). La composizione è nota: fornitura a = 26%, fornitura c = 35%.

Figura – Posizionamento sensori di rivelazione dei fumi. Il tempo di ritorno medio dell’evento iniziatore (incendio) è pari a: TR(EI) = 2.5 * 102 [anno] Il rischio incendio può essere valutato rappresentando attraverso Event Tree Analysis (ETA) l’evoluzione del flusso del pericolo condizionata dall’affidabilità dei sottosistemi di sicurezza presenti. La caratterizzazione dell’evento iniziatore (incendio) nelle zone coperte da 2 sensori comporta che la probabilità sia calcolata considerando un fattore di correzione del tempo di ritorno medio f (TR) pari a 0.25. L’attivazione del sistema di controllo dell’incendio richiede, per ogni posizione del focolaio nelle zone coperte da 2 sensori, l’allarme di entrambi i rivelatori attivi. I sottosistemi esaminati per la rappresentazione dell’ETA sono di seguito indicati: - Sistema di rivelazione ed allarme incendio (di seguito Sottosistema 1) - Sistema di spegnimento automatico (di seguito Sottosistema 2), dipendente dal sistema di

r r

rivelazione. La capacità di fuga degli esposti è condizionata dalla risposta dei sottosistemi 1 e 2 e viene espressa come indicato: - Autosoccorso (fuga degli addetti) dipendente dai sistemi 1 e 2 (di seguito Sottosistema 3). Per l’attribuzione delle probabilità di funzionamento del sistema di spegnimento automatico, si consideri: - la probabilità di corretto funzionamento del sistema di spegnimento automatico, condizionata all’attivazione manuale dello stesso (in caso di mancato funzionamento del sistema di rivelazione), assegnata: P( | ) = 10-2* P( | ) - la probabilità di malfunzionamento del sistema di spegnimento automatico, condizionata dal corretto funzionamento del sistema di rivelazione dell’incendio, è P( | ) = 1.25*10-3. Ai fini della valutazione dell’efficacia dell’autosoccorso (capacità degli addetti di raggiungere un “luogo sicuro” rispetto alla pianificazione dell’emergenza predisposta nel CED) si consideri: - in caso di corretto funzionamento di entrambi i sottosistemi 1 e 2, la probabilità dell’evento “efficacia dell’autosoccorso” pari a P( | ) = 8.5*10-1. In caso di mancato funzionamento di uno dei due sottosistemi 1 e 2, ai fini della valutazione della probabilità dell’evento “efficacia dell’autosoccorso”, l’effetto dell’efficacia del sistema di rivelazione dell’incendio si considera prevalente rispetto all’effetto dell’efficacia del sistema di spegnimento automatico: P( | ) = 3*P( | ) = 6,5*10-1. Infine, in caso di risposta inefficace dei sottosistemi 1 e 2, la probabilità dell’evento “efficacia dell’autosoccorso” vale: P( | ) = 9*10-3. La presenza di addetti all’interno del CED è organizzata in tre turni lavorativi giornalieri:

I turno lavorativo: 6.00-14.00 – con N = 8 addetti II turno lavorativo: 14.00-22.00 – con N = 8 addetti III turno lavorativo: 22.00-6.00 – con N = 4 addetti

dove, N indica il numero di addetti presente all’interno dell’area di lavoro durante il turno. Le giornate lavorative annue sono pari a 250).

1) Si calcoli la probabilità di malfunzionamento del sistema di controllo incendio rispetto alla posizione del focolaio d’incendio indicata in figura.

2) Si calcoli la probabilità di presenza di addetti annua all’interno del CED 3) Si rappresenti l’albero degli eventi, descrittivo delle condizioni di evoluzione del flusso

del pericolo, tenuto conto dell’evento iniziatore e dei sottoeventi descritti. 4) Si valutino le probabilità di fine ramo che caratterizzano l’evoluzione del flusso del

pericolo condizionata alla risposta di tutti i sistemi valutati ai punti precedenti. Per l’attribuzione del danno associato agli scenari di fine ramo, si consideri che, in caso di inefficacia dell’autosoccorso comunque condizionato, l’esito è sempre la morte di tutti gli esposti. In tutti gli altri casi non si registrano conseguenze per gli esposti.

5) Si calcoli il valore atteso della variabile aleatoria danno E[D] 6) Si determini la distribuzione retrocumulata F(D) = P(D≥D*) della variabile aleatoria

danno.

2E 1E 2E 1E

2E 1E

3E 21 EE ∩

3E 21 EE ∩ 3E 21 EE ∩

3E 21 EE ∩


Esame di Stato per l'abilitazione all’esercizio della professione di Ingegnere –

Sezione Industriale - II Sessione 2016

Sezione A PROVA PRATICA

27 Gennaio 2017

Tema n° 2 – Chimica

Un gas contenente 6% di Br2 è inviato in una colonna di assorbimento in controcorrente con acqua pura a 15°C e 5 atmosfere per ottenere una concentrazione finale dello 0,2% in Br2. Usando un rapporto molare L/G pari a 1,2 volte il minimo, calcolare la composizione del liquido uscente e il numero di stadi teorici necessari. Inserire la colonna in uno schema di processo e completare tale schema indicando la strumentazione necessaria. Discutere inoltre l’effetto delle condizioni operative.




Tema n° 3 – Aeronautica/Aerospaziale

Tema Propulsivo

Un propulsore aeronautico deve fornire una spinta al decollo di 700kN. Il candidato, indicando il tipo di propulsore che intende adottare e il tipo di componenti che lo costituiscono, effettui un dimensionamento di massima del propulsore e dei suoi principali componenti e determini in particolare il consumo specifico, la portata d’aria e il rendimento termodinamico.





27 Gennaio 2017


Impianti Aeronautici

Progettate un sistema di allerta per il pilota in caso di rischio di impatto con altri aeromobili indicando requisiti e componenti principali. Il candidato produca per tale sistema:

1) Un diagramma a blocchi funzionali per descrivere il progetto dell’impianto proposto e le interconnessioni tra i componenti.

2) Un diagramma ad albero per la valutazione dei rischi. Si consideri che la probabilità di una rottura che comporti la perdita definitiva di tale impianto dovrà essere inferiore a 1x10-5 per ora di volo. Il candidato assegni le probabilità di rottura dei singoli componenti prescelti secondo propri criteri.

3) Il diagramma di Markov dell’impianto progettato.





27 Gennaio 2017


Tema Strutturale Nel corso della progettazione preliminare di una fusoliera di un velivolo civile per il trasporto di persone ed in grado di volare ad una quota di 10000m, si deve fornire un dimensionamento di massima dei pannelli di fusoliera. Assumendo la fusoliera una struttura a semiguscio, le dimensioni che il pannello di rivestimento dovrà avere per essere rivettato opportunamente sugli elementi longitudinali e trasversali sono 1,00m x 0,40m. Assumendo in modo molto semplificativo il rivestimento appoggiato sui quattro lati, il candidato valuti per la condizione di volo esaminata:

1. lo spessore minimo del rivestimento in modo da resistere staticamente al carico caratteristico;

2. la corrispondente deflessione massima, indicando la posizione del pannello in cui si manifesta;

3. il peso strutturale del rivestimento Il candidato discuta infine l'impiego di correntini per l'aumento della resistenza strutturale e di un possibile 'uso di materiale composito.




Tema n° 6 – Astronautica/Spaziale

Tema Propulsivo

Si consideri un endoreattore caratterizzato da un carico utile di 1200 kg e da una massa strutturale di 500 kg. Il candidato valuti la massa di propellente necessaria ad effettuare una prima manovra orbitale con ∆V = 4000 m/s, quindi una successiva con ∆V = 250 m/s. Il candidato scelga opportunamente la temperatura in camera di combustione e il rapporto d’area dell’ugello.





27 Gennaio 2017


Meccanica del volo spaziale e sistemi spaziali

Il candidato identifichi i parametri orbitali di un satellite che, in un certo istante, ha componenti nel sistema di riferimento inerziale pari a (0, 42124 , 5000 ) Km. Supponendo che il satellite sia in pericolo di collisione con un detrito su un’orbita con: quota al perigeo di 600 km, quota all’ apogeo pari alla quota dell’orbita del satellite operativo, e con inclinazione nulla, il candidato dovrà: - Indicare, su un disegno che presenti la geometria del problema, i punti in cui ci sarà il rischio di

collisione. - Selezionando un punto di collisione, Indicare una possibile manovra che allontani il satellite di

almeno 50 km dal punto di impatto, calcolandone il dV. - Descrivere qualitativamente l’evoluzione della nube di detriti che si verrebbe a formare a

seguito dell’impatto tra i due corpi. Il candidato assuma i parametri non assegnati secondo propri criteri.





27 Gennaio 2017


Tema Strutturale Uno stadio di un lanciatore ha una sezione di riferimento (ortogonale al suo asse) di forma circolare con raggio di 3.4m, lo spessore della struttura di rivestimento (realizzata in alluminio) pari a 1.8mm e una lunghezza di 3.6m. Il candidato valuti lo sforzo massimo di compressione assiale che la struttura è in grado di assorbire e la lunghezza della semionda di deformazione elastica corrispondente all'insorgenza dell'instabilità di compressione. Si valuti inoltre l'effetto di una possibile pressurizzazione interna sullo sforzo massimo, assumendo che la sovrappressione sia di 0,8 Atm. Il candidato proponga infine una possibile modifica al precedente progetto qualora si realizzasse la struttura dello stadio in materiale composito.




Tema n° 9 – Elettrotecnica

(Impianti Elettrici)

Il candidato tracci lo schema elettrico unifilare di un impianto di alimentazione di un grande edificio ad uso uffici, per il quale è prevista la consegna in MT a 20kV da parte dell’ente distributore locale, considerando che dalla sbarra di bassa tensione della cabina di trasformazione MT/bt si dipartono tre linee (di lunghezza L1: 40 m, L2: 110 m, L3: 150 m) che alimentano i quadri di distribuzione Q1, Q2 e Q3. Il candidato dimensioni i cavi e scelga gli opportuni sistemi di protezione per le linee che alimentano i tre quadri di distribuzione, considerando che ciascun quadro alimenta linee luci della potenza di 125kW, linee FM da 150kW e linee condizionamento da 180kW, inoltre:

- Q1: alimenta anche 3 ascensori della potenza di 15kV e cosφ=0,9; - Q2: alimenta 5kW di illuminazione di emergenza; - Q3: alimenta un montacarichi con motore asincrono trifase a 6 poli, Pn=5,5kW, cosφ=0,9.

Si dimensioni inoltre il/i trasformatore/i MT/bt prevedendo una soluzione per incrementare l’affidabilità dell’impianto. Il candidato valuti inoltre le più opportune misure per garantire l’alimentazione di alcuni servizi essenziali stimati in circa 110kW. Nel caso di eventuali dati mancanti, il candidato assuma valori e faccia scelte “ragionevoli” giustificando le valutazioni effettuate.





27 Gennaio 2017

Tema n° 10 – Energetica Una turbina a gas (Potenza Elettrica 22 MW, Heat rate 2.774 kWt/kWel, portata esausti turbina=67.59 kg/s, temperatura esausti turbina 990 °F) ha come ciclo sottoposto un impianto a vapore con una caldaia a recupero a un livello di pressione (P=140.0 bar) con un corpo di ri-surriscaldamento (P=20.0 bar). La portata di vapore che esce dal surriscaldatore SH espande in una turbina a vapore Thp ad alta pressione (rendimento turbina=0.82), il vapore esausto viene risurriscaldato e quindi espande in una turbina a vapore a bassa pressione Tlp (rendimento turbina=0.84). Il vapore allo scarico in uscita alla turbina viene introdotto in un condensatore (temperatura di ingresso dell’acqua di raffreddamento pari a 15°C, massimo aumento di temperatura pari a 12°C, differenza di temperature minima tra i due fluidi pari a 10°C). Il vapore necessario per il funzionamento del degasatore (che lavora a 2 bar) è generato da un evaporatore che sfrutta il contenuto entalpico degli esausti. Si assumano le seguenti differenze di temperatura: sub-cooling pari a 20°C, pinch point pari a 10°C e approach point pari a 40°C. Si assuma altresì un calore specifico dei fumi pari a 1200 kJ/kgK. Si calcolino tutti I punti del ciclo ed il rendimento totale. Segue Figura




Tema n° 11 – Energetica Nucleare

Si vuole progettare un pressurizzatore per un impianto nucleare di tipo PWR, la cui pressione nominale di funzionamento è di 150 bar. Il circuito primario ha un volume libero di 230 m3 e la temperatura della gamba calda è di 321 °C. In condizioni nominali il pressurizzatore deve contenere liquido per il 60% del suo volume. Esso deve essere dimensionato (determinare volume, diametro e altezza, supposto di forma cilindrica) per limitare l'incremento di pressione ad un massimo dell'1% nel caso che la temperatura media del circuito primario aumenti di 4°C. L'incremento di livello liquido nel pressurizzatore, nelle medesime condizioni, deve essere non inferiore a 1 m. Si ipotizzi che le dispersioni verso l’ambiente esterno siano compensate dai riscaldatori elettrici e si effettui una stima di massima della potenza necessaria in condizioni nominali. Proprietà termodinamiche utili: p = 150 bar, saturazione: ρ [kg/m3] v [m3/kg] h [kJ/kg] LIQUIDO 603.176 1.6579x10-3 1610.99 VAPORE 96.7 1.034x10-2 2615.04 p = 151.5 bar, saturazione: ρ [kg/m3] v [m3/kg] h [kJ/kg] LIQUIDO 600.46 1.6654x10-3 1616.9 VAPORE 98.246 1.0178x10-2 2610.69 p = 150.75 bar; T= 323 °C (condizioni medie fra inizio e fine transitorio nella hot leg): ρ [kg/m3] h [kJ/kg] LIQUIDO 670.57 1473.0 Coefficiente di dilatazione volumetrica medio del liquido: β = 3.118x10-3 °C-1





27 Gennaio 2017

Tema n° 12 – Elettrotecnica

(Macchine Elettriche)

Due trasformatori trifase TA e TB, le cui caratteristiche sono indicate di seguito, sono collegati con i propri avvolgimenti primari ad una sbarra di M.T. avente tensione concatenata 10.6kV, frequenza 50 Hz, ed alimentano – collegati tra loro in parallelo – un carico trifase equilibrato che, se alimentato con tensione concatenata di 400 V, assorbirebbe 280kV con fattore di potenza 0.75 in ritardo. In seguito ad un cedimento dell’isolamento di alcune spire, il rapporto di trasformazione del secondo trasformatore è leggermente differente rispetto a quello del primo. Calcolare la corrente di circolazione quando i due trasformatori sono connessi a vuoto. Nella condizione di alimentazione in M.T. sopra specificata, si determini il rendimento di ciascuno dei trasformatori, nonché la capacità di fase di un banco di condensatori con le fasi a triangolo da collegare in parallelo alla sbarra di M.T. per portare a 0.95 il fattore di potenza complessivo dell’impianto. TA TB Potenza nominale 220kVA 140kVA Rapporto di trasformazione 10kV/400V 10kV/395V Collegamento delle fasi Dy11 Dy11 vcc% 4.4% 5.2% pcc% 2.2% 2.6% po% 0.8% 1.0% cosφo 0.16 0.14




Tema n° 13 – Gestionale

Un'industria chimica produce un fertilizzante in tre impianti di produzione P1, P2 e P3. L'azienda

trasporta il prodotto dagli impianti a due magazzini, identificati come D1 e D2, e successivamente

dai magazzini a cinque distributori regionali, denominati W1,… W5.

I magazzini D1 e D2 funzionano solo come depositi intermedi e non c’è richiesta di prodotto.

Tuttavia il magazzini hanno un limite di capacità, cioè una quantità massima di prodotto

immagazzinabile (in ton).

Una domanda è associata invece agli impianti di distribuzione W1,…,W5. Gli impianti di

produzione P1,…,P3 hanno una capacità produttiva massima che è nota.

Nelle tabelle che seguono sono riportati i dati relativi al trasporto in due stage successivi.

Nella prima tabella sono riportati i costi di trasporto dagli impianti ai magazzini, la capacità dei

magazzini e il livello massimo di produzione degli impianti (rispettivamente in euro/ton, ton e ton).

D1 D2 Livello di produzione

P1 1.36 1.28 2400 P2 1.28 1.35 2750 P3 1.68 1.55 2500 Capacità 4500 3200

Nella seconda tabella sono riportati i costi di trasporto dai magazzini ai distributori e la domanda di

quest'ultimi (rispettivamente in \euro/ton e ton).

W1 W2 W3 W4 W5 D1 0.60 0.36 0.32 0.44 0.72 D2 0.80 0.56 0.42 0.40 0.55 Domanda 1250 1000 1600 1750 1500 Il candidato formuli un modello di programmazione matematica che descriva il problema di soddisfare la domanda di fertilizzante ai centri di distribuzione W1, …W5 al costo minimo. Il candidato discuta le proprietà analitiche del modello determinato e indichi un possibile algoritmo risolutivo.





27 Gennaio 2017 Tema n° 14 – Meccanica Calda

Il candidato dimensioni entrambi i compressori. a) turbocompressore assiale operante con le seguenti caratteristiche: m = 30 kg/s; T1 = 270 K; p1 = 70.5 kPa, V1 = 142 m/s; β = 1.28; R = 287 J/kg K; ηi = 0.87; η0 = 0.98; κ = 1.4 b) compressore alternativo in due stadi (cilindri a V) interrefrigerato a semplice effetto comprime aria fino al valore finale di 2945 kPa. L’aria viene aspirata a temperatura ambiente e viene assegnata la portata Q = 22.8 dm3/s; la velocità di rotazione n = 1500 rpm mentre la velocità media vm = 4.3 m/s. Assumendo i dati mancanti dimensionare il compressore in esame.




Tema n° 15 – Meccanica Fredda

Un veicolo di massa a pieno carico pari a m = 1200 kg marcia su una strada in salita, con pendenza pari al 25 %, ad una velocità costante pari a v = 50 km/h. Assumendo i dati in tabella, calcolare la coppia motrice da applicare alle ruote posteriori e le reazioni normali e tangenziali esercitate dalla strada sulle ruote. Verificare, infine, la condizione di aderenza.

Coefficiente di attrito volvente fv 0.03 Coefficiente di resistenza aerodinamica ξ 0.30 Massa volumica dell’aria µ 1.30 kg/m3 Area investita S 1.50 m2 Raggio delle ruote r 0.28 m Altezza del baricentro G sul piano della strada h 1.00 m Distanza di G dalle normali di contatto ruota-strada (anteriore) a 2.00 m Distanza di G dalle normali di contatto ruota-strada (posteriore) b 1.00 m Coefficiente di attrito statico gomma-asfalto fs 0.6




Tema n° 16 – Biomedica (Impianti Ospedalieri)

Il candidato dimensioni i componenti della UTA di un impianto di climatizzazione a tutt'aria esterna a servizio di una sala operatoria in cui, nell'intero arco dell'anno, debba essere garantita una temperatura dell’aria compresa tra 18°C e 25°C, un’umidità relativa dell’aria compresa tra il 40% ed il 60% ed una minima portata d’aria di rinnovo di 20vol/h, tenendo conto dei seguenti dati.

1) Condizioni climatiche esterne invernali di progetto: t = 0°C, UR = 40%UR.

2) Condizioni climatiche esterne estive di progetto: t = 35°C, UR = 55%UR.

3) Dimensioni della sala operatoria: 8m × 8m × 3.5m.

4) Sala operatoria non confinante con l'esterno. Ai fini del calcolo si può assumere che la

temperatura degli ambienti confinanti sia pari a 20°C in inverno e 26°C in estate, che la

superficie complessiva di scambio termico con tali ambienti sia pari alla superficie totale di

confine della sala operatoria e che il valor medio di trasmittanza delle pareti sia pari a 2W/m2K.

5) Carichi termici interni dovuti ad apparecchiature ed impianti: da un minimo di 1000W ad un

massimo di 2500W, a seconda del tipo di intervento che deve essere eseguito.

6) Numero complessivo di persone presenti: da un minimo di 3 ad un massimo di 6, in funzione

del tipo di intervento che deve essere eseguito (per semplificare, il carico termico sensibile può

essere assunto pari a 100W/persona, mentre quello latente pari a 50W/persona).

Ai fini del calcolo, si può ipotizzare che al termine dei pre-trattamenti l'aria umida si trovi in condizioni di saturazione e che il criterio di regolazione previsto per i pre-trattamenti dell'aria sia del tipo "a punto fisso". Il volume specifico dell'aria umida può essere assunto pari a 0.8 m3/kga.

Inoltre, il candidato discuta in dettaglio le caratteristiche del sistema di regolazione ed illustri le

caratteristiche tecniche dei principali componenti d'impianto.

Si allega il diagramma psicrometrico.





27 Gennaio 2017

Tema n° 17 – Biomedica (Strumentazione)

Il candidato dimensioni una sonda ecografica mono-elemento giustificando

opportunamente le scelte effettuate.

In particolare si calcolino:

• La profondità di fuoco lungo l’asse a -2dB ed il grado di focalizzazione.

• il modulo della pressione lungo l’asse di propagazione in corrispondenza della

superficie del trasduttore

• L’intensità acustica nel fuoco

A tal fine si utilizzino i seguenti dati.

o Valore della costante d33 =3,2·10-10(m/V)

o Trasduttore alimentato con ddp sinusoidale di ampiezza pari a 70V.




Tema n° 18 – Nanotecnologie

Si consideri un dispositivo microelettromeccanico costituito da un cantilever a sezione variabile che integra un sensore piezoresistivo in prossimità dell’incastro (Figura 1a). Il sensore, avente una resistenza elettrica di 300 kΩ (in assenza di sollecitazioni) è costituito da una lamina sottile di materiale composito a matrice polimerica caricata con nanoparticelle elettricamente conduttive. 1) Descrivere un possibile processo realizzativo del cantilever e degli elettrodi. Il candidato è libero di scegliere i

materiali più idonei per la struttura. 2) Discutere sull’eventuale utilizzo di un secondo sensore, avente le medesime caratteristiche del precedente, per

compensare gli effetti della temperatura attraverso una configurazione a mezzo ponte di Wheatstone. Rappresentare e commentare il circuito equivalente del ponte.

3) Calcolare la pressione che agisce sul tratto del cantilever di larghezza b considerando uno sbilanciamento di 10 mV del ponte, alimentato a 2.7 V.

4) Calcolare la potenza elettrica dissipata dal sensore. Si consideri per i calcoli:

a) che la variazione della conducibilità elettrica effettiva del nanocomposito γ [S/m] in funzione della frazione in peso θ delle nanoparticelle sia del tipo γ = 5∙104∙(θ-θp)2.5, essendo θp la soglia di percolazione.

b) il gauge factor (GF) del sensore in funzione dello strain percentuale ε% ottenibile con due diverse frazioni in peso percentuale θ% di nanoparticelle (Figura 1b). Si assuma che la caratteristica GF-ε% sia lineare e passante per l’origine per ogni valore di θ%. Si assuma inoltre che la derivata prima di GF rispetto ad ε% vari linearmente con θ%;

c) a = 13 µm; b = 200 µm; w = 50 µm; p = 50 µm; L = 450 µm; ws = 20 µm; Ls = 25 µm; ts = 3 µm; θp% = 0.22wt%.

(a) (b)

Figura 1

cantilever

Sensoresubstrato

w b

elettrodo

elettrodo

Ls

ws

contatto

ts

Sensore

a

L b

d

cantilever

Carico distribuito

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