Risposte ai quesiti esami di stato

Risposte in preparazione all'esame di Stato per l'abilitazione alla professione di ingegnere industriale

Il seguente documento contiene:

• Quesiti degli anni passati
• Risposte ai quesiti delle prove degli anni passati

Vendo:

• "Esercitazioni di sistemi energetici" - C. Carcasci, B. Facchini.
• "Macchine idrauliche" - G. Cornetti
• "Macchine termiche" - G. Cornetti

Per info scrivere a festi.andrea@gmail.com

Parte 2 - Vecchie prove d'esame

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Esame di Stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Prima sessione 2013 – Sezione A settore industriale

Seconda prova scritta

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La prova consiste nello svolgimento di uno tra i temi proposti nel seguito:

IND-01 A2 aerospaziale

Descrivere il processo mediante il quale il team di un'azienda aeronautica o il singolo progettista effettua l'analisi di avanprogetto (progetto preliminare).

Nella descrizione il candidato illustri le metodologie conosciute per effettuare l'avanprogetto. Se ne descrivano i concetti generali e più in dettaglio le sottoparti e a che risultati vertono.

IND-02 A2 elettrica-macchine

Il candidato descriva un possibile azionamento per il controllo di una macchina elettrica impiegata come un generatore all’interno di una turbina eolica. Il candidato illustri e giustifichi il tipo di macchina elettrica che intende utilizzare, descriva i convertitori elettronici che compongono l’azionamento e proponga uno schema di controllo idoneo all’applicazione.

IND-03 A2 elettrica-impianti

Il candidato illustri le principali apparecchiature di manovra e protezione utilizzate nelle reti elettriche di distribuzione.

IND-04 A2 energetica-nucleare

Il candidato discuta le principali tipologie di reattori nucleari, allo stato dell’arte attuale, indicandone le principali caratteristiche e differenze.

IND-05 A2 energetica-energetica

Il candidato illustri e discuta l’andamento tipico della richiesta di potenza da parte dell’utenza elettrica nazionale nell’arco delle 24 ore descrivendo sommariamente i principali sistemi energetici atti a coprire il carico di base e il carico di punta.

IND-06 A2 gestionale-economia gestionale

L'effetto bullwhip nelle supply chain. Descrivere il fenomeno, indicare le cause e i possibili meccanismi di rimedio.

IND-07 A2 gestionale-impianti

Il candidato discuta i possibili criteri qualitativi e quantitativi utili all’individuazione dell’ubicazione ottimale di un impianto industriale al servizio di una molteplicità di punti di domanda.

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Esame di Stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Prima sessione 2013 – Sezione A laurea magistrale/specialistica

Prova pratica - Tema n. A4-IND-05 - Ing. energetica-energetica

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Si consideri un impianto costituito da un turbogas monoalbero con risurriscaldamento (re-heat) e rigenerazione dei gas esausti. L’impianto lavora in ciclo aperto, aspirando aria dall’ambiente βc=14 esterno in condizioni ISO. Il compressore è caratterizzato da un rapporto di compressione ed ηc,iso= un rendimento isoentropico 0.90. Nelle due camere di combustione viene utilizzato gas naturale con potere calorifico inferiore pari a 47450 kJ/kg che consente di raggiungere la temperatura Tmax= 1450 K (uguale in entrambe le camere) con un rendimento in camera di combustione pari allo 0.995. I gas subiscono una perdita di carico, in ciascuna camera di =1200 J/(kgK), combustione pari al 5%. I fumi in uscita, caratterizzati da un calore specifico cp,g ηt,iso= espandono tramite due turbine con rendimenti isoentropici rispettivamente uguali a 0.87 e ηt,iso= 0.89. La prima turbina presenta un rapporto di espansione pari a 1.9.

Lo scambiatore di calore a superficie per la rigenerazione presenta una differenza di temperatura all’uscita pari a 50 °C e le perdite di carico sono pari al 4% lato aria e al 5% lato gas combusti.

Il candidato:

• Disegni il layout del sistema ed il diagramma T-s del ciclo termodinamico.
• Ricavi i valori di pressione e temperatura in tutti i punti del ciclo termodinamico, le portate di aria e di combustibile ed il rendimento termodinamico e totale dell’impianto, sapendo che la potenza complessiva è pari a 150 MW.
• Effettui un dimensionamento di massima dello scambiatore rigenerativo.
• Valuti la possibilità di introdurre un ulteriore scambiatore di calore, a valle di quello rigenerativo, per effettuare la cogenerazione. Ipotizzando una temperatura di mandata e ritorno dall’utenza termica pari rispettivamente a 70 °C e 40 °C. 1

Esami Stato 2014

Esami di Stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

I sessione 2014

III prova (prova di progettazione) – Sez. A

Tema di energetica – (sistemi energetici)

Si consideri un’utenza caratterizzata dalle curve giornaliere di richiesta elettrica, termica e frigorifera così come rappresentate in Figura 1.

Si assumano, per semplicità, le durate del periodo invernale, estivo e di mezza stagione come riportato nella tabella che segue: Periodo Durata (giorni) INVERNO 180 ESTATE 90 MEZZA STAGIONE 95

L’utenza in oggetto provvede al soddisfacimento dei fabbisogni energetici mediante:

• L’acquisto di energia elettrica dalla rete di distribuzione nazionale;
• Una caldaia a gas naturale di potenza termica di picco pari a 300 kW e rendimento del 90%;
• Un sistema frigorifero a compressione di potenza frigorifera di picco pari a 300 kW ed EER pari a 4.

Per i sistemi suddetti si assuma per semplicità costante l’efficienza con la variazione del carico.

1) Relativamente al caso presentato, per un intero anno di funzionamento, il candidato calcoli:

• L’energia elettrica, termica, e frigorifera complessivamente richieste dall’utenza;
• L’energia elettrica necessaria al funzionamento del sistema frigorifero a compressione;
• Il consumo di combustibile della caldaia assumendo per il gas naturale un LHV pari a 9,53 kWh/Sm ;

2) Assumendo inoltre un costo medio dell’energia elettrica acquistata dalla rete pari a 190 €/MWh3, si calcoli: e del gas pari a 0.80 €/Sma.

• La spesa annua complessiva per l’acquisto di energia elettrica;
• La spesa annua complessiva per l’acquisto di gas naturale.

Per l’utenza in oggetto si prenda quindi in considerazione l’installazione di un sistema cogenerativo che utilizzi un motore primo, alimentato a gas naturale, tra i seguenti riportati in tabella:

MODELLO MP1 MP2 MP3 MP45 20 30 50

Potenza elettrica netta [kW] 24 29 26 30

Efficienza elettrica netta [%] 12 47 65 90

Potenza termica prodotta [kW]

3) Si tracci il lay-out della centrale di produzione in seguito all’introduzione del sistema cogenerativo mettendo in evidenza tutti i flussi energetici presenti.

4) Il candidato definisca la successione di accensioni e spegnimenti dei motori primi indicati per il funzionamento durante il periodo invernale, estivo e di mezza stagione, assumendo:

• Che non ci sia mai dispersione al camino della potenza termica prodotta dal motore;
• Che il motore primo funzioni sempre a pieno carico;
• Che l’influenza delle condizioni ambientali sulle prestazioni dei motori primi sia trascurabile;

5) Sulla base di quanto calcolato nel punto precedente, il candidato scelga il motore primo in grado di garantire il numero maggiore di ore di funzionamento e la maggiore copertura possibile dei fabbisogni elettrici e termici dell’utenza. In particolare si calcoli, con riferimento al caso non cogenerativo:

• La variazione di energia elettrica acquistata dalla rete;
• La variazione del consumo di combustibile della caldaia;
• La variazione del consumo di combustibile totale;
• La variazione della spesa annua complessiva per il soddisfacimento dei fabbisogni energetici.

6) Sulla base delle scelte compiute nei punti precedenti, si supponga di aggiungere alla centrale di produzione un sistema frigorifero ad assorbimento (EER=0,67); il candidato calcoli:

• La potenza di picco del sistema frigorifero ad assorbimento assumendo che possa essere alimentato solo dalla potenza termica prodotta dal motore primo;
• La variazione del consumo di energia elettrica per la produzione di energia frigorifera conseguente all’introduzione del sistema ad assorbimento;
• La variazione della spesa annua spesa annua complessiva per il soddisfacimento dei fabbisogni energetici sempre in riferimento al caso non cogenerativo.

POTENZA ELETTRICA RICHIESTA POTENZA TERMICA RICHIESTA POTENZA FRIGORIFERA RICHIESTA 30070 25060 250 20050 200 INVERNO 15040 [kW][kW] [kW] 15030 10010020 5050100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ore/giornoore/giorno ore/giorno20 3007060 2501550 200 ESTATE 40[kW] [kW] [kW]10 15030 10020 5 50100 0 01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ore/giorno ore/giornoore/giorno 15070 250STAGIONE 60 20050 100 15040 [kW][kW] [kW]30 10050MEZZA 20 50100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ore/giornoore/giorno ore/giorno FIGURA 1

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Esame di Stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Seconda sessione 2015 – Sezione A settore industriale

Prima prova scritta

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La prova consiste nello svolgimento di uno tra i temi proposti nel seguito.

Tema 1

Tema di chimica-operazioni unitarie. Separazione di correnti gassose: il Candidato esamini due fra le principali operazioni unitarie che vengono industrialmente utilizzate indicandone prestazioni e campi di applicazione.

Tema 2

Tema di chimica-processi. Biocombustibili: il Candidato delinei le caratteristiche unificanti di questi prodotti e ne esamini un tipo a Sua scelta.

Tema 3

Tema di elettrica-macchine. Il Candidato descriva la struttura ed il funzionamento dei convertitori elettronici di potenza impiegati nella produzione di energia attraverso l’uso di pannelli fotovoltaici.

Tema 4

Tema di elettrica-impianti. Il Candidato illustri i criteri di esercizio del neutro nelle reti elettriche di distribuzione in media tensione in relazione all'intensità delle correnti di guasto a terra ed al coordinamento dell’isolamento.

Tema 5

Tema di energetica-nucleare. Il Candidato discuta il principio di funzionamento di un impianto nucleare di potenza.

Tema 6

Tema di energetica-energetica. Sistemi cogenerativi: prestazioni degli impianti, indici di valutazione.

Tema 7

Tema di gestionale-economico. Il Candidato esponga e illustri i metodi VAN, TIR e PAYBACK per la valutazione degli investimenti nel lungo periodo. Di ciascuno descriva procedimento per il calcolo, dati necessari per la loro applicazione, vantaggi e svantaggi nel loro utilizzo da parte del management.

Tema 8

Tema di gestionale-impianti. Il Candidato presenti i sistemi manuali di immagazzinamento e stoccaggio illustrandone le diverse tipologie. Si descrivano inoltre i principali criteri di progettazione di un magazzino tradizionale.

Tema 9

Tema di meccanica-costr.macchine. Il Candidato illustri i più comuni metodi di misurazione delle deformazioni in organi di macchina, fornendo almeno un esempio applicativo per ciascuna tipologia.

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Esame di Stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Seconda sessione 2015 – Sezione A settore industriale

Seconda prova scritta

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La prova consiste nello svolgimento di uno tra i temi proposti nel seguito.

Tema 1

Tema di chimica-operazioni unitarie. La concentrazione: campi di applicazione, apparati ed elementi per il dimensionamento.

Tema 2

Tema di chimica-processi. Gas di sintesi: materie prime, processi e utilizzazioni.

Tema 3

Tema di elettrica-macchine. Il Candidato descriva la struttura ed il funzionamento di un azionamento elettrico impiegabile all’interno di un veicolo elettrico.

Tema 4

Tema di elettrica-impianti. Il Candidato descriva il principio di funzionamento e le caratteristiche degli interruttori di bassa tensione e di media tensione.

Tema 5

Tema di energetica-nucleare. Il Candidato descriva le principali caratteristiche dei reattori BWR (Boiling e PWR (Pressurized evidenziandone le Water Reactor) Water Reactors) diversità.

Tema 6

Tema di energetica-energetica. Si descrivano le principali tipologie di sistemi di raffreddamento associati a gruppi a vapore e si mettano in evidenza le principali emissioni inquinanti a loro collegate.

Tema 7

Tema di gestionale-economico. Il Candidato esponga il tema dell'analisi degli scostamenti o varianze. In particolare, al Candidato è richiesta una specificazione delle varie componenti di varianza che possono essere riscontrati all'interno della gestione aziendale, sia relativamente all'ambito produttivo che a quello amministrativo o commerciale. Ove possibile, il Candidato illustri la specifica delle formule per il calcolo delle varianze e dettagli la loro scomposizione.

Tema 8

Tema di gestionale-impianti. Il Candidato descriva i sistemi flessibili di trasporto a guida automatica (AGV – Si presentino le diverse tipologie, il loro principio Automated Guided Vehicle). di funzionamento ed una comparazione tecnico-economica. Si illustri il dimensionamento di una flotta di AGV.

Tema 9

Tema di meccanica-costr.macchine. Il Candidato illustri i criteri di dimensionamento e verifica di collegamenti albero – mozzo forzati alla pressa.

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Esame di Stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Seconda sessione 2015 – Sezione A settore industriale

Prova pratica di progettazione

Tema n. 6: energetica-energetica

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Si consideri un impianto turbogas bi-albero a ciclo semplice. L’impianto lavora a ciclo aperto aspirando aria dall’ambiente in condizioni standard (calore specifico 1.004 kJ/kgK). Il compressore è caratterizzato da un rapporto di compressione di 20 e rendimento isoentropico pari a 0.91.

Il sistema è alimentato con gas naturale (Ki 47.45 MJ/kg). I gas nell’attraversamento della camera di combustione subiscono una perdita di carico pari al 3%. Il rendimento di combustione è pari al 99.5% con temperatura massima di 1200 °C.

La turbina di alta pressione è raffreddata e la temperatura massima consentita delle pale è 950 °C. Le prime schiere di pale sono raffreddate con aria prelevata dal compressore.

Per ipotesi, il salto di temperatura smaltito da ciascuno stadio equivalente è pari a 90 K, il numero di Stalton lato gas è pari a 0.004. Il rapporto tra superficie palare e area di passaggio dei gas è 3.5 e l’efficienza di scambio si può assumere pari al 30%.

I fumi in uscita hanno calore specifico di 1200 J/kgK con costante dei gas di 291 J/kgK e si espandono fino alla pressione ambiente attraverso due turbine con rendimento politropico rispettivamente di 0.89 per la prima e 0.87 per la seconda.

Il candidato:

• Disegni il layout del sistema ed il diagramma T-s del ciclo termodinamico.
• Ricavi i valori di pressione e temperatura di tutti i punti del ciclo termodinamico.
• Sapendo che la turbina deve generare una potenza di 30MW calcoli la portata di aria e di combustibile. In fine il rendimento dell’impianto.

Si scelgano i parametri mancanti secondo criteri di buon progetto motivando le scelte.

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Esame di Stato per l’abilitazione alla professione di ingegnere

Prima sessione 2016 – Sezione A settore industriale

Prima prova scritta

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La prova consiste nello svolgimento di uno tra i temi proposti nel seguito.

Tema 1

Tema di chimica-operazioni unitarie. La separazione di correnti gassose: metodi e loro campi di applicazione.

Tema 2

Tema di chimica-processi. L’ambiente e la sicurezza nella progettazione di processi industriali.

Tema 3

Tema di elettrica-macchine. Il Candidato descriva la struttura ed il funzionamento di un back to back converter.

Tema 4

Tema di elettrica-impianti. Il Candidato discuta la regolazione dell’equilibrio fra generazione e carico nei sistemi elettrici di potenza.

Tema 5

Tema di energetica-nucleare. Il Candidato descriva la reazione di fusione nucleare e come questa possa essere controllata introducendo le principali tecniche di confinamento della reazione.

Tema 6

Tema di energetica-energetica. Il Candidato illustri sinteticamente le principali tipologie di fonti primarie di tipo fossile con particolare riferimento alla loro conversione ed al loro impatto ambientale.

Tema 7

Illustri il concetto d&r