Definizioni e concetti fondamentali dell'Impiantistica PDF

Università degli Studi di Udine Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Definizioni e concetti fondamentali dell'Impiantistica Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Alimentari Insegnamento di "Macchine e Impianti per l'Industria Alimentare e...

Università degli Studi di Udine Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Definizioni e concetti fondamentali dell'Impiantistica Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Alimentari Insegnamento di "Macchine e Impianti per l'Industria Alimentare e Interventi di Sanificazione" Modulo di "Macchine e Impianti per l'Industria Alimentare" Docente: Ing. Marco Bietresato ([email protected]) Evoluzione del concetto di agricoltura Produttività/Capacità lavorativa Livello di meccanizzazione e automazione Necessità di strutturazione della catena logistica e della catena produttiva (cantieri agricoli, aziende agricole, impianti di trasformazione dei prodotti agroalimentari) 2  Obiettivi dell’industria agroalimentare Prolungare la conservabilità degli alimenti per mezzo di tecniche che inibiscono le alterazioni di origine biochimica e microbiologica, permettendo il trasporto, la distribuzione e lo stoccaggio dei prodotti Aumentare la varietà degli alimenti, garantendo qualità nutrizionale e organolettiche, anche attraverso processi di trasformazione dei prodotti originari Assicurare un vantaggio http://tecnologiarosso.blogspot.com/2011/12/blog-post.html economico per le attività di 3 trasformazione Impianto (definizione generale) Impianto di distribuzione en. elettrica Struttura artificiale fissa costruita per scopi (tecnici) complessi / per soddisfare bisogni http://www.qualitywine.it/schemidiimpiantietubature_1_0_623.aspx Impianto di refrigerazione dei mosti casa/elettricita-ristrutturare-casa/impianto-elettrico-fai-da-te Impianto idroelettrico a bacino http://www.bricoportale.it/ristrutturare-casa/lavori-in-  Impianti industriali (1/2) Complesso di capitali, macchine, mezzi e addetti atti a sfruttare le risorse materiali ed energetiche per trasformarle in prodotti finiti (utili all'uomo) a maggior valore aggiunto rispetto ai materiali di input, grazie e trasformazioni chimiche e fisiche (processi di fabbricazione) oppure a processi di montaggio Anche detti "stabilimenti di produzione" Impianto di produzione della cioccolata http://www.opessi.it/2012/01/impianti-tecnologici-cioccolato/ Impianti industriali (2/2) Parte di un'organizzazione complessa (azienda) che mediante opportuni mezzi, opera trasformazioni di natura tecnica su merci in ingresso per ottenere in uscita beni (merci o servizi) di maggior valore per l'azienda Assemblaggio, più o meno complesso, di macchine destinato a svolgere una o più funzioni (es. imp. di produzione di impasti, o anche imp. di essiccazione, refrigerazione, filtrazione) https://www.assicurazioniassirin.it/assicurazioni-per-aziende.html http://www.italiaatavola.net/articoli.asp?cod=13366 https://www.laumas.com/images/soluzioni/alimentare_big.jpg  Il processo produttivo come sistema input-output IMPIANTI IND.LI 7 http://slideplayer.it/slide/571435/ Impianti industriali: distinzione Impianto produttivo Impianto di servizio (o tecnologico) (o tecnico) Macchine che trasformano il Non direttamente coinvolti nel ciclo materiale da lavorare (producono produttivo valore aggiunto al prodotto) Complesso di congegni, Necessari per il corretto apparecchiature e sistemi atti a funzionamento dell'impianto produttivo svolgere un preciso compito e ad / dello stabilimento, creando le assicurare un determinato condizioni al contorno necessarie per servizio garantire un corretto funzionamento http://www.linkoristano.it/prima-categoria/2016/02/02/84168/ degli impianti tecnologici (es. impianto elettrico, idraulico) e un'adeguata operatività degli addetti (es. impianto di ventilazione e illuminazione) http://www.hbitalia.it/  Impianti di servizio o tecnici: possibili classificazioni 9 Impianti di servizio o tecnici: distinzione in base al tipo di servizio https://www.docsity.com/it/lezione-04-acqua/567308/ Servizio centrifugo (aria compressa, approvvigionamento idrico, distribuzione vapore): più punti di distribuzione Servizio centripeto http://www.centroventilazione.com/solution-line/ (aspirazione polveri, sistema fognario, depurazione acque reflue, ecc.): più punti di raccolta Impianti d'aspirazione centralizzati con 10 abbattimento ad acqua  Impianti di servizio o tecnici: distinzione in base all'entità servita Impianto tecnico-ambientale Impianto tecnico-produttivo Insieme di dispositivi atti ad Insieme di dispositivi atti ad integrare le opere umane con integrare le opere umane con una serie di predisposizioni una serie di predisposizioni necessarie al raggiungimento necessarie al corretto di un certo livello di confort funzionamento dell'impianto http://www.impiantielettriciparolini.it/impianti_di_illuminazione_industriale.html ambientale e funzionale produttivo di uno stabilimento richiesto dalle caratteristiche e quindi al raggiungimento di un dalla destinazione degli certo livello di funzionalità ambienti serviti richiesto dalle caratteristiche e dalla destinazione dell'impianto produttivo http://www.bluaircompressori.it/ 11 Impianti di servizio o tecnici: distinzione in base alla tipologia Meccanici Elettrici Hanno a che fare con organi in Apparecchiature elettriche, https://i0.wp.com/uprom.info/wp-content/uploads/2017/06/kran- movimento / hanno al loro meccaniche e fisiche atte mostovoj-dvuxbalochnyj-1.jpg?resize=720%2C324 interno delle macchine che alla trasmissione e producono movimento o forze all'utilizzo dell'energia elettrica, alla protezione elettrica delle http://www.geisrl.it/en/industrial-electrical-system/mvlv-electricity-substations apparecchiature e delle persone, alla messa a terra delle apparecchiature Speciali anwendungen-kommunikationsloesung- http://www.desonna.de/typo3temp/pics/ ricetrasmissione dati deSonna_01_c81326f3c1.jpg drahtlos-solaranlagen- 12  Impianti tecnici meccanici http://capitalradio.es/ceoe-digitalizacion/ Classificazione in base alla destinazione d'uso: Movimentazione di merci o persone http://www.dselectra.eu/wp-content/uploads/2015/03/impianti- Idraulici o termoidraulici/ idraulici-2-e1430561261629.png termotecnici Di sicurezza o antintrusione 13 http://www.rdmimpianti.com/prodotti/portoni-sezionali.html Esempi di impianti presenti in un'industria I. produttivo, è la ragione per la quale Semi-automatic equipment for the quell'industria esiste production of ready-to-eat lasagna and cannelloni – 600 trays/hour I. tecnici meccanici: idrico sanitario, scarichi, idrico antincendio, ventilazione (in partic. per lavorazioni che emettono polveri, gas, odori), riscaldamento (magari solo zona uffici), condizionamento (magari solo zona uffici oppure se si effettuano lavorazioni di materiali igroscopici/ad umidità controllata), distribuzione aria compressa e gas tecnici I. tecnici elettrici: distribuzione dell'energia elettrica in BT (bassa tensione) normalizzati AC (230 V monofase, 400 V trifase) I. tecnici speciali: antintrusione, telefonico, trasmissione dati (event. anche nel reparto produttivo per impianti 14 altamente automatizzati – Industria 4.0) http://www.storci.com/src_linee.asp?lang=EN&search=1&prodotto=Ready+Meals  Punto di vista impiantistico È un punto di vista di insieme; la progettazione di dettaglio è affrontata in fasi successive (solitamente non dall'impiantista) Le apparecchiature/macchine sono delle BLACK BOX; ad ogni attività corrisponde una apparecchiatura/macchina; più attività costituiscono il ciclo produttivo Si ragiona sulla produttività e sulle caratteristiche esterne (prestazioni di output=f(input)) di ogni apparecchiatura/macchina componente l'impianto attività 15 Ciclo produttivo Sistema Quantità finita di materia Parte di un impianto contenuta in un confine, reale o (produttivo, tecnico) immaginario / porzione di spazio preposta allo in cui si concentra l'attenzione, https://www.favagiorgioaxel.net/waved-cut-portioning?rt=macchina&id=52&language=eng svolgimento di un sede di fenomeni fisici/chimici di determinato scopo interesse per l'osservatore (definizione tecnologica) (definizione termodinamica) Sistema di porzionamento con 16 taglio ondulato  Macchina definizione termodinamica definizione tecnologica Convertitori di energia in Insieme di componenti, di cui lavoro meccanico e almeno uno mobile, collegati tra viceversa loro e connessi solidalmente per un'applicazione ben determinata (funzione) Motoriduttori per nastro trasportatore Impastatrice elettrica per carni 17 https://www.mga-automation.it/80-efficienza-energetica https://www.3tre3.it/negozio/miscelatori-per-carni_505/impastatrice-elettrica-per-carni_3068/ Apparecchiatura Apparecchiatura o unità di un impianto: parte di cui un impianto è composto, entro la quale si svolge una delle cosiddette operazioni unitarie e/o uno dei processi unitari (o reazioni chimiche unitarie) Impastatrice elettrica per carni 18 https://www.3tre3.it/negozio/miscelatori-per-carni_505/impastatrice-elettrica-per-carni_3068/  Apparecchiature: classificazione per regime di funzionamento IN CONTINUO: come un sistema termodinamico aperto; riceve materia dall'esterno (alimentazione), la trasforma e la allontana (prodotto), raggiungendo durante il suo funzionamento uno stato stazionario, cioè un regime in cui il comportamento del sistema termodinamico rimane costante nel tempo Colonna di distillazione IN BATCH (ingl. "a mucchio"): come un sistema termodinamico chiuso, senza flussi in entrata e uscita; si hanno così delle fasi di carico e scarico necessarie al riempimento e allo svuotamento dell'apparecchiatura, e spesso non viene raggiunto nessuno stato stazionario (periodi di transitorio più lunghi) 19 Filtropressa Attenzione alle definizioni… In un impianto può anche non essere presente alcuna macchina In un impianto per la trasformazione di prodotti agroalimentari è sempre presente almeno un'apparecchiatura Una macchina o un'apparecchiatura, se presente, è sempre parte di un impianto Una macchina può essere un sistema Un'apparecchiatura può essere un sistema Un intero impianto può essere un sistema (un "macro-sistema", in questo caso)  Sistema vs. Impianto / Apparecchiatura / Macchina IMPIANTO La definizione di impianto, APPARECCHIATURA apparecchiatura e macchina hanno una MACCHINA certa gerarchia (impianto > apparecchiatura > macchina) IMPIANTO La definizione di sistema si può APPARECCHIATURA adattare a qualsiasi scala MACCHINA 21 Architettura generale di un impianto produttivo (1/3) In linea di massima un sistema complesso, un impianto, è sede di flussi di materia, energia, informazioni I flussi possono attraversare la sua frontiera (input, output) oppure possono essere completamente interni all'impianto Negli impianti produttivi, i flussi di informazioni sono funzionali al controllo dei flussi di materia ed energia Materia Materia Energia Energia Informazioni Informazioni Schema "black-box" di un sistema 22 (impianto, apparecchiatura, macchina)  Architettura generale di un impianto produttivo (2/3) Nella sua configurazione più DATI / INFORMAZIONI completa, sono SENSORE 2. 4. riconoscibili sempre GENERATORE TERMINALE almeno due categorie di componenti, VETTORE INPUT OUTPUT rispettivamente: 1. 3. Sorgente di AMBIENTE energia/materia INTERESSATO (generatore) 2. Conversione dell'energia, 4. Erogazione di un servizio Pozzo di lavorazione dei materiali o di un prodotto (cessione di energia/materia energia, materiali) (terminale) 1. Approvvigionamento 3. Spostamento di materia, di energia, materiali trasmissione di energia 23 Schema generale di un sistema tecnico Sono riconoscibili anche per questo schema i due componenti sorgente e pozzo 24  Architettura generale di un impianto produttivo (3/3) (COSA) oggetto della trasformazione: energia, materiali in produzione (DOVE) luogo di richiesta: luogo di erogazione del servizio, di produzione/collocazione del bene, parte dell'impianto in cui si hanno i flussi di output relativi al prodotto/principale (QUANDO) tempo di richiesta: frequenza di erogazione del servizio / cadenza di produzione di un bene (CHI) soggetto del bisogno, destinatario dell'azione dell'impianto: essere umano (in maniera diretta o indiretta), un altro reparto/impianto/industria (PERCHÉ) necessità del bisogno/giustificazione esistenza impianto: necessità produttive (produrre qualcosa), soddisfacimento bisogni primari degli essere umani utenti dell'impianto (acqua, calore, cibo, luce) 25 Impianti produttivi: possibili classificazioni 26  Classificazione di un impianto in base alle dimensioni http://www.verdifattorie.it/images/pages/azienda/impianti/impianti4.jpg Non ci si riferisce semplicemente alla sua superficie, ma entrano in gioco diversi fattori, relazionati al settore in cui opera l'impianto e quanto questo sia automatizzato: – la capacità produttiva – la continuità della produzione Impianto di spremitura delle olive – il numero di addetti – il fatturato 27 – gli investimenti fatti Grado di integrazione di un impianto Integrazione orizzontale: Integrazione verticale: processo grazie al quale processo grazie al quale l'azienda riesce ad aumentare l'azienda estende le il suo volume produttivo grazie lavorazioni verso monte (o ad un aumento del numero di ascendente) o verso valle o commesse (es. l'acquisizione discendente (es. l'acquisizione di aziende rivali) di una azienda cliente o di una azienda fornitrice) 28  Classificazione in base alla continuità del processo produttivo La produzione può content/uploads/2014/11/gallery-produz-pasta- essere: http://www.irisbio.com/wp- – Continua, quando c'è 08.jpg un solo ciclo di lavorazione ininterrotto ed il prodotto lavorato è unico Impianto di produzione di pasta secca content/uploads/2015/12/pasta2-300x202.jpg – Intermittente o a lotti http://www.panoramachef.it/wp- (in inglese batch) quando vengono realizzati più prodotti, solitamente divisi in lotti 29 Necessità di controllo del processo produttivo È possibile che a seguito di mutamenti della quantità e qualità degli input, della qualità della lavorazione, della quantità e qualità delle richieste di output (variazioni della richieste del mercato) sia necessario procedere ad una regolazione dell'impianto differente da quella iniziale Alcuni mutamenti possono essere consapevoli, quindi: – Dichiarati o esplicitati (dal fornitore delle materie prime, dal costruttore delle macchine, da indagini di mercato, da comunicazioni dei clienti) – Riconosciuti (tramite controllo di qualità in accettazione, lettura strumentale, test a posteriori, panel tests) Alcuni mutamenti possono essere inconsapevoli – Scalibrazione delle macchine per: usura, rotture secondarie, interferenze, sabotaggi – Variazione della qualità delle materie prime (caratteristiche non dichiarate o non controllate) o della fornitura di energia (continuità temporale) 30  Sistemi di controllo del processo produttivo Relativamente alla compensazione delle sole variazioni dovute a mutamenti inconsapevoli, è possibile adottare dei sistemi di auto-compensazione / auto-regolazione / regolazione adattativa I migliori sistemi sono quelli che vengono comandati a partire dalla grandezza da controllare → sistemi retroazionati http://www.lamolisana.it/documents/924654/2338210/filiera. 0eb4551a1834?t=1400226049000 JPG/b9270ca0-6b61-4116-9e29- 31 Retroazione o feedback http://www.electroyou.it/corsi/ElabNum/ Operazione, insita in un ENS21_files/image006.gif sistema o introdotta in esso volontariamente, nel quale la variabile d'uscita di tale sistema influenza la variabile di ingresso Blocco di comando Nei sistemi automatici di Sistema controllo o di trattamento sotto dell'informazione, controllo ritorno di segnale che permette all'unità di http://web.tiscali.it/itisla/temper/Svilprop.htm Blocco di controllo Blocco di reazione governo del sistema di e(t) scoprire (per f(t) comparazione con un riferimento) eventuali anomalie e di Linea di retroazione provvedervi opportunamente Blocco di reazione (feedback): saggia o preleva la grandezza controllata fornendo un segnale di reazione f(t) ad essa sostanzialmente proporzionale, ma non necessariamente omogenea 32 Blocco di confronto (o comparatore): elabora il segnale di riferimento e quello di reazione ed opera attraverso il segnale e(t), detto di errore, l’opportuna azione correttiva  Schema di flusso per il progetto di un impianto (1/2) 1. Individuazione del requisito da soddisfare (tenendo presente sicurezza, igiene e fruibilità) 2. Individuazione/calcolo dei parametri relativi (grandezze quantitative: temperatura, umidità, portata…) 3. Scelta del tipo di impianto più adatto a fornire il prodotto/servizio richiesto (e a parità di capacità di soddisfacimento del bisogno, del più economico) 33 Schema di flusso per il progetto di un impianto (2/2) 4. Scelta della fonte di energia / generatore SISTEMA – Dimensionamento delle unità PRODUTTIVO terminali – Dimensionamento delle reti di distribuzione – Dimensionamento del Prestazioni ottenibili generatore Confronto NB: la progettazione va in Prestazioni richieste senso contrario all'utilizzazione (dal terminale al generatore vs. dal generatore al terminale), secondo un approccio STRATEGIA bottom-up 34  Più in dettaglio… MARKET ANALYSIS P, PV PRODUCTION AND PRODUCT TYPE SERVICES ANALYSIS AND SALE PRICE P TECHNOLOGICAL C PRODUCTION PROCESS ANALYSIS CYCLE P,C S SUPPORTING SERVICES ANALYSIS PLANTS FOR PRODUCTION SYSTEM PRODUCTION P, PV,C, S ECONOMICAL STUDY Q CAPABILITY OF THE PLANT AND OF THE INVESTMENT ECONOMICAL EVALUATION Consumo energetico di un impianto Fattori incidenti: – Rendimento di trasformazione della fonte energetica impiegata + Perdite di altro tipo – Tipologie di impianto (determina il livello di efficienza massimo possibile) Ad es. per un impianto termico: – Combustibili utilizzati (liquidi, gassosi, solidi), fonti alternative – Tipologia: centralizzato autonomo, teleriscaldamento – Isolamento termico dell'ambiente riscaldato (sulle superfici disperdenti) 36  Tendenze storiche evolutive degli impianti Centralizzazione dei generatori: per semplificare la logistica di approvvigionamento e massimizzare il rendimento di conversione (con soluzioni altrimenti non economicamente convenienti) Delocalizzazione dei terminali: per semplificare la logistica di fornitura del servizio e introdurre il concetto di modularità cdn.com/wp-content/uploads/2012/12/central-vs-decentral.png http://184ynl3xrypi2ruscv1a607s.wpengine.netdna- 37 I protagonisti del settore agro- alimentare (1/3) A proposito di centralizzazione e integrazione di filiera… http://www.repubblica.it/salute/alimentazione/2014/12/19/news/i_padroni_del_cibo-103273466/ 38  I protagonisti del settore agro- alimentare (2/3) "Il mercato mondiale del cibo nelle mani di 10 multinazionali" https://www.calatafimisegesta.it/mercato-mondiale-cibo-nelle-mani-10-multinazionali/ 39 I protagonisti del settore agro- alimentare (3/3) AGRICOLTURA IN MANO A POCHE MULTINAZIONALI, SERVE UN PIANO PER NON ESSERE STRANGOLATI Nel mondo tre sole multinazionali governano il 63% del mercato delle sementi e il 75% di quello degli agrofarmaci. Un progetto Cai sostenuto da Coldiretti per salvare la qualità del made in Italy https://www.greenme.it/animali/allevamenti/lobby-agricoltura-europa/ (Il Quotidiano del Sud, 2 gennaio 2021) https://www.borsaitaliana.it/notizie/sotto-la-lente/indici-concentrazione-settore.htm 40 https://philhoward.net/2020/11/19/concentration-and-its-impacts/ https://valori.it/cr7-cibo-agricoltura-dossier-oligopolio/  Regimi di funzionamento di un sistema Un sistema si trova: in stato o regime stazionario (sistema continuo) se non c'è accumulo o perdita di massa o energia; nel regime stazionario le condizioni che descrivono il sistema non cambiano nel tempo – Nelle operazioni continue i bilanci riguardano punti diversi dell'impianto, in genere l'ingresso e l'uscita in stato o regime non stazionario o transitorio (sistema discontinuo), se c'è Carica di un condensatore in accumulo o perdita di massa o energia, un circuito elettrico RC: almeno una delle condizioni che l'andamento è asintotico ma la descrivono il sistema varia nel tempo condizione di regime può – Nelle operazioni discontinue i bilanci ritenersi raggiunta dopo 5 τ riguardano momenti successivi dell'operazione, in genere l'inizio e la fine 41 Bilancio di massa e di energia La rappresentazione generale di un bilancio di massa e di energia è la seguente Massa/portata o Energia entrante = + Massa/portata o Energia uscente ± Massa/portata o Energia accumulata o perduta Tale relazione si basa sulle leggi di conservazione della massa e dell'energia (1° legge della termodinamica) Per poter risolvere un bilancio è necessario definire chiaramente i confini del sistema. Il sistema può essere un processo o un'operazione unitaria o più operazioni unitarie o un impianto o una macchina o una loro parte. Agitatore 42  Es. impostazione di un bilancio parziale e globale Per il sotto sistema A il bilancio (parziale) è : (1) + (2) + (9) = (4) + (3) Per il sotto sistema B il bilancio (parziale) è: (4) + (6) = (5) + (7) + (8) Per il sistema A + B il bilancio (globale) è: (1) + (2) + (6) = (7) + (5) + (3) 43 Grandezze in gioco nei bilanci di massa 44  Bilanci di energia (1/2) Tra le varie forma di energia (calore, lavoro, energia chimica, energia elettrica) quella più spesso utilizzata nei processi alimentari è il calore. Pertanto i bilanci di energia più frequentemente utilizzati sono i bilanci termici od entalpici Le grandezze in gioco nei bilanci termici sono Il calore è detto sensibile quando il suo trasporto è associato ad una variazione di temperatura, latente quando il suo trasporto è associato ad un passaggio di stato che avviene a temperatura costante 45 Bilanci di energia (2/2) ENTALPIA (H=U+pV): è una proprietà dei corpi, funzione del calore specifico e della temperatura, il cui valore si misura rispetto allo zero assoluto (0 K) Se per tutti i componenti che entrano e lasciano un sistema si sceglie uno stato di riferimento diverso dallo zero assoluto, il cambiamento di entalpia di un componente tra lo stato di riferimento convenzionale e lo stato corrente può essere considerato come il valore relativo di entalpia del componente considerato Se il sistema opera a pressione e volume costante, l'entalpia di qualsiasi componente del sistema è definibile come L'entalpia può anche essere espressa come contenuto termico o calore totale (q = m H) oppure come flusso termico 46  La modellazione come elemento fondamentale nello studio dei sistemi complessi 47 Modelli e teorie (1/2) Premessa filosofica: il solo modo che abbiamo di rappresentare un oggetto, un fenomeno è di farne un modello, cioè una rappresentazione astratta, compatibile con i modi e le regole che caratterizzano l'attività del nostro cervello Non c'è conoscenza senza modellazione. Studiare la realtà consiste nel farne modelli nella nostra mente, che ci sforziamo di rendere, con la riflessione e con l'esperienza, quanto più possibile fedeli alla realtà Non c'è comunicazione senza modellazione. Quando descriviamo o riferiamo qualcosa a qualcuno per fargli capire ciò di cui noi abbiamo conoscenza o esperienza, non facciamo altro che comunicare al nostro interlocutore il modello che noi abbiamo in mente, con tutti i limiti e le convenzioni della nostra rappresentazione mentale Non c'è attività pratica efficace senza modellazione. Le nostre azioni e decisioni sono basate su previsioni ed attese di risultati che i nostri modelli ci prospettano, vere e proprie simulazioni dei fatti e dei fenomeni che accadono fuori di noi  Modelli e teorie (2/2) Un modello è l'interpretazione esplicita della nostra comprensione di una situazione. Può essere espresso in termini matematici, in simboli o in parole, ma è sempre essenzialmente una rappresentazione di entità, processi o attributi e delle relazioni che ci sono tra loro (B. Wilson, Systems Concepts Methodologies and Applications, John Wiley & Sons, Chichester, 1991) Ci sono vari tipi di modelli e cioè vari modi di rappresentare la realtà Comunemente, nel linguaggio scientifico, si intende per modello la rappresentazione di un fenomeno con formule matematiche Modello materiale e modello iconico M. materiale: è una ricostruzione in scala ridotta http://www.gea.com/it/products/membrane-filtration-pilot-plant-l.jsp di un sistema reale Nell'impiantistica si utilizzano dei modelli materiali di macchine o impianti per studiare i processi industriali senza dover mettere in gioco quantità di materiali, persone e costi come in un processo industriale. Questi modelli sono spesso indicati con il termine di 'impianti pilota' o 'prototipi' In chimica si usano spesso modelli in scala ingrandita delle molecole I modelli materiali appartengono quindi alla Impianto pilota di filtrazione a categoria dei modelli iconici (dal greco eikénai che membrana significa "essere simile") Anche una fotografia o un disegno schematico di una macchina, di un impianto o di un processo possono essere considerati come dei modelli iconici 50  Modello concettuale e fenomenologico M. concettuale: costituito da simboli e da parole, con cui rappresentiamo oggetti, fenomeni e situazioni in termini qualitativi, descrittivi La loro formulazione precede, in generale, quella dei modelli matematici o iconici I modelli concettuali delle varie operazioni e dei vari fenomeni della tecnologia alimentare sono anche detti modelli fenomenologici Schema a blocchi di una cantina, con sezioni 51 omogenee per funzioni → Modello analogico Utile per simulare un fenomeno reale non realizzando in piccolo o descrivendo il fenomeno reale, ma un fenomeno diverso che è soltanto 'analogo' a quello reale Modello di Kelvin-Voigt per la deformazione viscoelastica Es: i reologi hanno messo a punto una serie di modelli meccanici che permettono di simulare, con molle e smorzatori, il comportamento reologico dei corpi Tempo applicazione carico Sistema puramente elastico 52 Sistema visco-elastico  Modello matematico (1/2) Descrizione in termini matematici, cioè mediante funzioni, equazioni, di un fenomeno reale È in grado di descrivere i legami esistenti tra le grandezze caratteristiche del fenomeno http://www.webalice.it/andreamartignoni/file/ricerca%20operativa.pdf 53 https://www.matematicapovolta.it/ebookquarta/funzioni/ModelloMat.htm Modello matematico (2/2) Il primo grande teorizzatore della modellazione matematica https://it.wikipedia.org/wiki/Galileo_Galilei fu Galileo Galilei: egli sosteneva che la matematica è il linguaggio della natura e che il compito della scienza consiste nello scoprire le leggi matematiche che regolano i fenomeni naturali Dopo di lui i modelli matematici sono stati lo strumento conoscitivo fondamentale della fisica e di tutte le discipline ingegneristiche e tecnologiche Galileo Galilei che ne derivano (Pisa, 15 febbraio 1564 – Arcetri-FI, 8 gennaio 1642) 54  Proprietà generali dei modelli Sono basati su teorie, cioè su leggi generali che rappresentano le osservazioni e gli esperimenti particolari; rappresentano lo strumento per confrontare fenomeni diversi e per provare la validità delle teorie Sono una rappresentazione parziale della realtà: non rappresentano tutte le caratteristiche dell'oggetto studiato, ma soltanto quelle che hanno interesse per l'indagine Hanno un potere euristico, cioè permettono di scoprire nuovi aspetti della realtà che l'osservazione diretta del fenomeno non permetterebbe di scoprire e quindi sono utili per ottimizzare preliminarmente un processo Hanno un errore intrinseco: le condizioni che determinano i comportamenti dell'oggetto reale non potranno mai essere definiti con assoluta precisione, quindi i fenomeni non potranno mai riprodursi nel modello come nella realtà; l'errore sarà più o meno grande a seconda della bontà del modello 55 Es. di utilizzo di un modello numerico nell'ingegneria alimentare Al fine di ottimizzare i processi di tostatura del caffè, è importante studiare i fenomeni di trasferimento del calore all'interno dei chicchi di caffè Lo studio sperimentale è Temperatura(°C) difficilmente eseguibile, a causa 250 del movimento del tamburo rotante, della complessità 200 dell'impianto e soprattutto della dimensione dei chicchi 150 100 Tuttavia è possibile studiare l'andamento della temperatura 50 e dell'umidità all'interno del singolo chicco, tramite un 0 0 50 100 150 200 250 300 modello numerico FEM 56 Tempo(s) Sperimentale Numerico Fabbri, A., Cevoli, C., Alessandrini, L., Romani, S. Numerical modeling of heat and mass transfer during coffee roasting process (2011) Journal of Food Engineering, 105 (2), pp. 264-269  Complementi: i modelli agli elementi finiti (FEM) (1/2) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032591017302255#f0070 Tecnica numerica atta a cercare soluzioni approssimate di problemi descritti da equazioni differenziali alle derivate parziali riducendo queste ultime ad un sistema di equazioni algebriche definite su parti del dominio spaziale iniziale Ogni singolo elemento finito viene considerato un campo di integrazione numerica di caratteristiche omogenee FEM simulation of particle flow and convective mixing in a cylindrical bladed mixer 57 Complementi: i modelli agli elementi finiti (FEM) (2/2) 58  Complementi: i principali modelli reologici http://www.treccani.it/enciclopedia/viscoelasticita/ 59 https://slideplayer.it/slide/3285504/