Progettazione e gestione degli impianti nell'Impresa alimentare

1. Elementi di economia tecnico-gestionale 9
1.1 Concetti generali: il concetto di impianto 9
1.2 Classificazione degli impianti 10
1.3 Legge dei rendimenti decrescenti o produttività marginale di un fattore 11
1.4 Costi fissi e variabili 12
1.5 Ammortamento 13
1.6 Diagramma di redditività: CT, R, BEP e Qottimo 13
1.7 Costo medio (unitario) e marginale 14
1.8 Livello ottimale di produzione 15
1.9 Composizione Organica del Capitale (COC): criterio di scelta tra due impianti 16
1.9.1 Andamento dei costi fissi e dei costi variabili in funzione delle caratteristiche dell’impianto 17
1.10 Gli indicatori economici 18
1.10.1 Il Margine di Contribuzione totale (MC) ed unitario (mc) 18
1.10.2 Determinazione del Break Even Point (BEP) 18
1.10.3 Applicazione del MC alle produzioni marginali 19
1.10.3.1 Esempio 19
1.10.4 Condizione di soddisfazione per la produzione marginale e considerazioni 20
1.11 Parametri di valutazione di un investimento 20
1.11.1 Payback semplice (PB) 20
1.11.2 Return On Investments (ROI) 21
2. Gestione degli impianti 21
2.1 Tipologie di guasti 21
2.2 L’affidabilità (R, reliability) dell’impianto 22
2.3 La disponibilità (A, availability) dell’impianto 22
2.4 Gestione di R ed A: soluzione in serie semplice e in serie in parallelo 22
2.5 Economia di scala 24
2.5.1 Economia di scala nei costi di capitale 25
2.5.2 Economia di scala nei costi di esercizio 26
2.6 Alcune considerazioni progettuali 26
2.7 Determinazione della numerosità dell’impianto in funzione della minimizzazione dei costi 27
2.8 Significato del fattore di scala 28
2.9 Gestione della variabilità nella richiesta: il polmone 29
2.9.1 Dimensionamento dell’impianto tramite il metodo dell’integrazione grafica: quantificazione del polmone 30
2.9.2 Dimensionamento del polmone mediante integrazione grafica: considerazioni, applicabilità e limitazioni 31
2.10 Il dimensionamento del polmone 32
3. Energia: calore 41
3.1 Sulle generalità dell’energia 41
3.1.1 Cogenerazione e trigenerazione: applicazione nel settore agroalimentare 41
3.2 Il rendimento energetico η 41
3.3 I capisaldi di questo argomento 42
3.4 La reazione di combustione, il Potere Calorifico e il ruolo dell’ossigeno 44
3.5 Calcolo del rendimento: metodo indiretto, metodo diretto e considerazioni 45
3.5.1 Calcolo del rendimento con metodo diretto 45
3.5.2 Calcolo del rendimento: metodo indiretto 46
3.6 Fluidi di trasporto del calore, flusso di calore e portata 46
3.6.1 L’aria calda 47
3.6.2 L’acqua calda e l’acqua surriscaldata 48
3.6.2.1 Organizzazione dell’impianto ad acqua 48
3.6.2.2 Vantaggi e svantaggi nell’uso dell’acqua. I fluidi diatermici come alternativa all’acqua. 49
3.6.3 Il vapor d’acqua: il fluido d’eccellenza 49
3.6.3.1 Considerazioni inerenti il vapore 50
3.6.3.2 Utilizzo del vapore 51
3.6.3.3 Organizzazione di un impianto per la produzione del vapore 51
3.6.3.4 I generatori di vapore: sistema a tubi di fumo e sistema a tubi d’acqua 52
3.6.3.5 Sistemi per la riduzione di pressione e temperatura e condizioni dell’acqua utilizzata 54
3.6.3.6 La linea di distribuzione 55
3.6.3.7 Le perdite di carico distribuite 56
3.6.3.8 Le perdite di carico localizzate 57
3.6.3.9 Le perdite di calore 58
3.6.3.10 Gestione delle criticità degli impianti 61
4. Elettrologia 64
4.1 Tensione e intensità di corrente 64
4.2 La potenza elettrica 65
4.3 La prima legge di Ohm 65
4.4 La seconda legge di Ohm 65
4.5 Effetto Joule: la potenza termica 66
4.6 La corrente alternata 67
4.6.1 La velocità di rotazione del vettore 68
4.6.2 Fenomeni presenti in un circuito elettrico 68
4.6.2.1 I fenomeni resistivi (circuito puramente ohmico) 69
4.6.2.2 La reattanza induttiva (circuiti puramente induttivi) 70
4.6.2.3 La reattanza capacitiva 71
4.6.3 Principio di sovrapposizione degli effetti: l’angolo di sfasamento φ 72
4.6.4 Le diverse declinazioni della potenza nella corrente alternata: potenza attiva, potenza reattiva e potenza apparente 73
4.6.5 Il fattore di potenza 74
4.6.5.1 Il rifasamento 75
4.7 Struttura di una presa 76
4.7 La corrente trifase 76
4.7.1 Le prese in corrente trifase e monofase 78
4.8 Le utenze 78
4.8.1 Introduzione: il campo elettrico, il campo magnetico, il campo elettromagnetico 78
4.8.2 Il trasformatore 79
4.8.3 Il motore elettrico: struttura e principio di funzionamento 80
4.8.3.1 Regolazione della frequenza tramite inverter 81
4.8.3.2 Regolazione della frequenza per trasmissione meccanica 82
4.8.3.3 Curva caratteristica del motore elettrico 83
4.8.3.4 Considerazioni inerenti la curva caratteristica del motore elettrico: il reostato di avviamento 85
4.8.3.5 Considerazioni inerenti la curva caratteristica del motore elettrico: le zone di funzionamento 85
4.9 La potenza nominale 86
4.10 Ottimizzazione dell’utilizzo di un motore 86
4.11 Il rendimento del motore elettrico 87
4.12 Indici di protezione IP 88
4.13 La sicurezza degli impianti elettrici e delle macchine 88
4.14 La filiera elettrica 89
4.14.1 La bolletta elettrica 91
5. Movimentazione dei liquidi: le pompe 92
5.1 Introduzione 92
5.2 Portata, prevalenza e potenza idraulica: differenti unità di misura 92
5.3 Tipologie di pompe 93
5.4 Il rendimento della pompa 94
5.5 Descrizione delle pompe: caratterizzazione e curva caratteristica 95
5.5.1 La pompa centrifuga 95
5.5.2 Le pompe volumetriche 95
5.6 Criterio di scelta di una pompa centrifuga: il diagramma fazzoletto 96
5.7 Criterio di scelta di una pompa volumetrica: la portata 96
5.8 Pompe centrifughe: curva caratteristica della pompa e curva dell’impianto. La prevalenza dinamica e la prevalenza statica 96
5.9 Regolazione della portata in pompe centrifughe e volumetriche 98
5.10 Prelievo da un pozzo tramite pompa: la cavitazione 98
5.11 Pompe in serie 100
5.12 Pompe in parallelo 100
5.13 Impatto della viscosità sulla prevalenza 100
5.14 Le pompe volumetriche 101
5.14.1 L’effetto della viscosità sulle pompe volumetriche e centrifughe: i fenomeni di reflusso 101
5.14.2 Scelta della pompa volumetrica 102
5.14.3 Le diverse famiglie di pompe volumetriche 102
5.14.3.1 Le pome volumetriche a pistone 102
5.14.3.2 La camera d’aria nelle pompe volumetriche 102
5.14.3.3 La pompa volumetrica ad ingranaggi 103
5.14.3.4 La pompa volumetrica con pale flessibili 103
5.14.3.5 La pompa volumetrica a lobi 103
5.14.3.6 La pompa volumetrica a vite 103
5.14.3.7 La pompa volumetrica peristaltica 103
5.14.3.8 La pompa a membrana 103
5.14.3.9 La pompa volumetrica a pistoni rotanti 103
5.14.3.10 La pompa ad anello liquido 103
5.15 Adescamento delle pompe 103
5.16 Vantaggi e svantaggi di pompe centrifughe e pompe volumetriche 104
5.17 Considerazioni finali inerenti le pompe 104
6. Impianti frigoriferi 105
6.1 Le unità di misura 105
6.2 Curva di sottrazione di calore 105
6.3 Principi di funzionamento dell’impianto: il ciclo di Carnot 105
6.3.1 Le trasformazioni nel ciclo frigorifero 106
6.4 Fluidi utilizzabili nel ciclo frigorigeno 106
6.4.1 L’acqua 106
6.4.2 L’ammoniaca 106
6.4.3 Fluidi frigorigeni (fluidi serie R-) 106
6.5 Ciclo frigorifero reale 107
6.6 L’efficienza del ciclo frigorifero 108
6.6.1 Il bilancio del ciclo frigorifero 108
6.7 II COP 109
6.8 Aumento dell’efficienza frigorifera: il sottoraffreddamento 109
6.9 I componenti dell’impianto frigorifero 110
6.10 Il ciclo frigorifero reale 110
6.11 Descrizione dei componenti dell’impianto frigorifero 110
6.11.1 I compressori 110
6.11.1.1 I compressori alternativi (volumetrici) 111
6.11.1.2 I compressori centrifughi 111
6.11.1.3 I compressori a vite 111
6.11.1.4 Il rapporto di compressione 112
6.11.1.5 Architettura dei compressori 112
6.11.2 Il condensatore 112
6.11.3 Valvola di laminazione 114
6.11.4 Evaporatore 114
6.12 Ciclo di assorbimento 115
7. Il condizionamento 117
7.1 Valutazione dei fenomeni nell’ambiente 117
7.1.1 Calore passante dalle pareti 117
7.1.2 Calore derivante dall’irraggiamento 117
7.1.3 Calore derivante dall’aria accidentale 117
7.1.4 Calore dovuto alle potenze elettriche 118
7.1.5 Calore apportato dalle persone 118
7.1.6 Calore legato al prodotto 118
7.1.7 Calore complessivo (la potenzialità della cella) 118
7.2 Configurazione dell’impianto: il differenziale termico 119
7.3 Il diagramma di Mollier 119
7.3.1 Operazioni elementari svolte dagli impianti di raffreddamento identificabili sul diagramma di Mollier 119
7.4 Il ciclo estivo 121
7.5 Ciclo invernale 122
7.6 Valutazioni energetiche sul ciclo estivo: il ricircolo 122
7.7 Le unità di misura 123
7.8 Celle per il calo peso del prodotto 123
7.9 Immagine riassuntiva 124
8. Automazione e regolazione 124
8.1 Principio della retroazione (feedback) 124
8.2 Concetto dell’anello aperto 124
8.3 Il regolatore e la teoria dei segnali 125
8.3.1 La precisione, l’errore statico e l’errore transitorio 125
8.3.2 La velocità di risposta 125
8.3.3 La stabilità del segnale 126
8.4 Catena di controllo 126
8.4.1 Il controllo e le diverse possibilità di regolazione 126
8.4.1.1 Regolazione a due posizioni on-off 126
8.4.1.2 Sistema di regolazione a tempo proporzionale 127
8.4.1.3 Sistema di regolazione flottante 127
8.4.1.4 Regolazione a variazione proporzionale 128
8.4.1.5 Regolazione integrale 128
8.5 Necessità di intervento rapido: azione derivativa (sistema PID -Proporzionale Integrale Derivativo) 129
8.6 I trasformatori 129
9. Formulario 130
1.1 Costo medio (unitario) e marginale 130
1.8 Livello ottimale di produzione 130
1.9 Composizione organica del capitale (COC): criterio di scelta tra due impianti 130
1.10 Gli indicatori economici 130
1.10.2 Il Break Even Point (BEP) 130
1.11 Parametri di valutazione di un investimento 130
2.3 La disponibilità (A, availability) dell’impianto 130
2.4 Gestione di R ed A: soluzione in serie semplice e in serie in parallelo 130
5.5 Economia di scala 131
2.7 Determinazione della numerosità dell’impianto in funzione della minimizzazione dei costi 131
2.9 Gestione della variabilità nella richiesta: il polmone 131
2.9.2 Dimensionamento del polmone mediante integrazione grafica: considerazioni, applicabilità e limitazioni 131
6. Energia: calore 131
3.1 Il rendimento energetico η 131
3.3 I capisaldi di questo argomento 131
3.5 Calcolo del rendimento: metodo indiretto, metodo diretto e considerazioni 132
3.6 Fluidi di trasporto del calore, flusso di calore e portata 132
3.6.3 Il vapor d’acqua: il fluido d’eccellenza 132
4.2 La potenza elettrica 133
4.3 La prima legge di Ohm 133
4.4 La seconda legge di Ohm 133
4.5 Effetto Joule: la potenza termica 133
4.6 La corrente alternata 133
4.7 La corrente trifase 134
4.8 Le utenze 134
5.2 Portata, prevalenza e potenza idraulica: differenti unità di misura 135
5.7 Criterio di scelta di una pompa volumetrica: la portata 135
5.8 Pompe centrifughe: curva caratteristica della pompa e curva dell’impianto. La prevalenza dinamica e la prevalenza statica 135