Modelli e Sistemi negli Impianti

Definizioni e concetti fondamentali dell'Impiantistica

• L'agricoltura di sussistenza (primitiva) è un ciclo chiuso, mentre l'agricoltura mercantile si apre agli scambi, specializzandosi, localizzandosi e settorializzandosi.
• L'agricoltura diventa produttrice di beni alimentari, focalizzandosi su sicurezza alimentare, politiche agrarie di sostegno, protezionismo e globalizzazione.
• Si assiste ad una minore protezione e ad un'attenzione per la sicurezza e la qualità alimentare.
• Il concetto di agricoltura evolve verso la multifunzionalità.

Obiettivi dell'industria agroalimentare

• Mantenere la conservabilità degli alimenti per mezzo di tecniche che inibiscono alterazioni biochimiche e microbiologiche.
• Aumentare la varietà degli alimenti, garantendo qualità nutrizionale e organolettiche.
• Assicurare un vantaggio economico per le attività di trasformazione.

Impianto (definizione generale)

• Struttura artificiale fissa progettata per scopi specifici (tecnici) o per soddisfare bisogni complessi.

Impianti industriali (1/2)

• Complesso di capitali, macchine, mezzi e addetti che trasformano le risorse in prodotti a maggior valore aggiunto.
• Inclusi processi di fabbricazione o montaggio.
• Detti anche "stabilimenti di produzione".

Impianti industriali (2/2)

• Parte di un'organizzazione (azienda) che opera trasformazioni tecniche su merci in entrata per ottenere beni di maggior valore per l'azienda.
• Comprende assemblaggio di macchine per funzioni specifiche (produzione impasti, essiccazione, refrigerazione, filtrazione).

Processo produttivo come sistema input-output

• I fattori di produzione (risorse naturali, capitale circolante, capitale fisso, lavoro) entrano nel processo produttivo.
• L'impresa crea valore producendo beni/servizi.
• I prodotti/output escono dal processo.
• Possono essere coinvolti processi di coltivazione erbacea, arborea, allevamento, pesca o prodotti forestali.

Impianti industriali: distinzione

• Impianto produttivo (o tecnologico): comprende macchinari per la trasformazione del materiale da lavorare.
• Impianto di servizio (o tecnico): non è direttamente coinvolto nel ciclo produttivo, ma fornisce servizi necessari al funzionamento dell'impianto produttivo (es. impianti elettrici, idraulici).

Impianti di servizio o tecnici: possibili classificazioni

• Classificazione per entità servita (persone o aree).
• Tipo di servizio (scarico o alimentazione).
• Funzione svolta (produzione energia, trasporto, controllo ambientale).
• Interazione impianto-ambiente esterno.

Impianti di servizio o tecnici: distinzione in base al tipo di servizio

• Servizio centrifugo (ad esempio, aria compressa, approvvigionamento idrico, distribuzione vapore).
• Servizio centripeto (ad esempio, aspirazione polveri, fognario, depurazione acque reflue).

Impianti di servizio o tecnici: distinzione in base all'entità servita

• Impianto tecnico-ambientale: integra le opere umane con predisposizioni per comfort e funzionalità (es. ambienti di lavoro).
• Impianto tecnico-produttivo: integra le opere umane con predisposizioni per il corretto funzionamento dell'impianto produttivo.

Impianti tecnici meccanici

• Classificazione in base alla destinazione d'uso, come movimentazione di merci o persone, impianti idraulici o termoidraulici/termotecnici, o di sicurezza o antintrusione.

Esempi di impianti presenti in un'industria

• Impianti produttivi: idrico sanitario, scarichi, antincendio, ventilazione, riscaldamento, condizionamento, distribuzione aria e gas tecnici.
• Impianti tecnici elettrici: distribuzione di energia elettrica (BT, AC).
• Impianti tecnici speciali: antintrusione, telefonico, trasmissione dati (per impianti altamente automatizzati).

Punto di vista impiantistico

• Vedere l'impianto come un insieme di apparecchiature/macchine, considerando ogni attività corrispondente a una componente.
• Approccio sistemico, considerando gli input, il processo ed i risultati di output.
• Enfasi sulla produttività e sulle caratteristiche esterne delle apparecchiature che costituiscono l'impianto.

Sistema

• Confine di un impianto, in cui si concentra l'attenzione sui fenomeni fisici o chimici di interesse.
• Parte di un impianto (produttivo, tecnico) responsabile di un determinato scopo.
• Definizione tecnologica.

Macchina

• Definizione termodinamica: convertitori di energia in lavoro meccanico, viceversa.
• Definizione tecnologica: insieme di componenti, tra cui almeno uno mobile, solidalmente collegati per una funzione specifica.
• Meccanismi di lavorazione e trasformazione.

Apparecchiatura

• Parte di un impianto che include elementi/componenti per svolgere operazioni unitarie e/o processi unitari.
• Inclusi elementi come: essiccamento, pastorizzazione, macinazione, miscelazione, compressione.
• Classificazione in base al regime di funzionamento (continuo o a lotti).

Sistema di controllo del processo produttivo

• Sistemi di autocompensazione, auto-regolazione o regolazione adattativa, basati su misure di controllo.
• Input di informazioni che alimentano il sistema di controllo per gestire le variabili.
• Retroazione come metodo per correggere eventuali deviazioni rispetto ai parametri desiderati.

Schema di flusso per il progetto di un impianto

• Individuare i requisiti (sicurezza, igiene, fruibilità).
• Definire i parametri relativi (temperatura, umidità, portata).
• Scegliere il tipo di impianto più adatto (con la miglior efficienza economica).
• Dimensionare le componenti e la rete di gestione dell'energia/ materiale (generatore, reti di distribuzione).

Più in dettaglio

• Analisi di mercato (analisi dei prodotti sul mercato e dei prezzi delle vendite).
• Analisi dei servizi (tipologie di servizi).
• Analisi tecnologica dei processi.
• Analisi economica degli investimenti.
• Analisi del consumo energetico dell'impianto (rendimento, perdite).

Tendenze storiche evolutive degli impianti

• Centralizzazione dei generatori (per semplificare approvvigionamento e massimizzare rendimento).
• Delocalizzazione dei terminali (per semplificare fornitura di servizi e introdurre modularità).

I protagonisti del settore agroalimentare

• Analisi dei grandi marchi attivi nel settore e della loro interconnessione.
• Concentrazione del mercato nelle mani di poche grandi aziende.

Regimi di funzionamento di un sistema

• Regime stazionario (continuo): nessun accumulo o perdita di massa/energia.
• Regime non stazionario o transitorio (discontinuo): accumulo o perdita di massa/energia, condizioni che cambiano.

Bilancio di massa e di energia

• Rappresentazione generale: Entrata = Uscita + Accumulo/Perdita.
• Informazioni chiave per progettare e gestire un impianto: massa, portata, volume, densità, frazione/concentrazione.

Es. impostazione di un bilancio parziale e globale

• Applicazioni a sotto-sistemi.
• Applicazione al sistema completo.
• Grandezze in gioco (massa, portata, volume, densità, frazione, concentrazione).

Proprietà generali dei modelli

• Rappresentazione parziale/riduzione della complessità del fenomeno reale.
• Errore intrinseco o approssimazione dovuta alla semplificazione.

Es di utilizzo di un modello numerico nell'ingegneria alimentare

• Studio di fenomeni complessi (ad esempio, il trasferimento di calore nei chicchi di caffè).
• Ottimizzazione di un processo.

Complementi: i modelli agli elementi finiti (FEM)

• Tecnica numerica per la soluzione approssimativa di equazioni differenziali alle derivate parziali.
• Partizione del dominio in elementi finiti.
• Soluzione algebrica sulle particelle degli elementi.

Complementi: i principali modelli reologici

• Modelli che descrivono il comportamento di sforzo-deformazione dei materiali nei processi industriali.
• Classificazione basata sulla caratterizzazione deformata in risposta a forze continue o impulsi.
• Modelli elastici, viscosi, viscoelastici e di comportamento creep (scorrimento viscoso).