Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Facoltà di Ingegneria Sede di Modena. Esame di Stato 2004

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1 Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Facoltà di Ingegneria Sede di Modena Esame di Stato 2004 Il documento contiene 7 temi complessivi relativi alle prove degli Ingegneri - Vecchio Ordinamento prima sessione 2004.

2 ESAME DI STATO PER L'ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE I a Sessione 25 maggio Tema di Ing. Meccanica/Ing. dei Materiali n. 1 Si deve produrre acqua calda per un trattamento industriale recuperando il calore necessario da una portata di 330 m 3 /min di gas combusti a temperatura 400 C, provenienti da un altoforno. L acqua è prelevata dalla rete di distribuzione idrica a temperatura 21 C e deve essere erogata all utenza finale con portata non inferiore a 270 l/min. Per trasferire il calore dai gas combusti all acqua, si utilizza uno scambiatore di calore a flussi incrociati, in cui l acqua effettua un singolo passaggio nello scambiatore, all interno di un fascio di tubi allineati, ed i gas combusti passano in mezzo ai tubi, con direzione ortogonale all asse dei tubi stessi. I tubi del fascio tubiero sono realizzati in acciaio inossidabile e presentano lunghezza L = 220 cm, diametro della sezione di passaggio interna (circolare) d = 10 mm e spessore di parete s = 2 mm. Inoltre, sono disposti in 8 ordini (ogni ordine è formato da tutti i tubi i cui assi, paralleli, giacciono in uno stesso piano ortogonale alla direzione del moto dei gas combusti). La distanza S L tra gli assi di due tubi adiacenti appartenenti a due diversi ordini contigui è pari a 28 mm, la distanza S T tra gli assi di due tubi adiacenti appartenenti ad uno stesso ordine è pari a 21 mm. Si ha la stessa distanza S T anche tra l asse di un tubo posto all estremità di un ordine e la adiacente parete del plenum in cui il fascio tubiero è installato. Tale plenum presenta sezione di passaggio rettangolare, con larghezza uguale allo sviluppo longitudinale L dei tubi ed altezza H = 63 cm (normale all asse dei tubi). I gas combusti sono caratterizzati dalle seguenti proprietà medie: densità: ρ g = 0.58 kg/m 3 calore specifico a p cost.: c p,g = 1.05 kj/(kg C) conduttività termica: λ g = W/(m C) viscosità dinamica: µ g = Pa s L acqua è caratterizzata dalle seguenti proprietà medie: densità: ρ H2O = 993 kg/m 3 calore specifico a p cost.: c p,h2o = 4.18 kj/(kg C) conduttività termica: λ H2O = 0.63 W/(m C) viscosità dinamica: µ H2O = Pa s L acciaio inossidabile utilizzato presenta conduttività termica λ inox = 15 W/(m C). Quesiti A. Stimare il coefficiente di scambio termico convettivo medio all interno dei tubi (lato acqua), utilizzando la più adatta tra le due relazioni semi-empiriche sotto riportate o altra equivalente (nel caso, citare il riferimento bibliografico): Nu Re Pr d L d d = + per Re<2320 (moto laminare) d / 3 ( Re Pr d L) d 3 [ ] 2 / 3 3 ( Re 2 / 125) Pr 1/ 1 ( d / L) Nu = per Re 2320 (moto transizionale e turbolento) d Nelle relazioni, che tengono conto anche dei fenomeni di sviluppo del moto, Nu d è il numero di Nusselt medio (riferito al diametro della sezione di passaggio), Re d è il numero di Reynolds (anch esso riferito al diametro della sezione di passaggio) e Pr è il numero di Prandtl. B. Stimare anche il coefficiente di scambio termico esterno medio (lato gas combusti), utilizzando la relazione semi-empirica sotto riportata o altra equivalente (nel caso, citare il riferimento bibliografico): Nu m 1/ 3 D = K b 1.13 K a Re D,max Pr per 2000 < Re D < Nella relazione, Nu D è il numero di Nusselt medio (riferito al diametro esterno dei tubi), Re D,max è il numero di Reynolds (riferito al diametro esterno dei tubi e alla massima velocità dei gas combusti attraverso il banco) e Pr è il numero di Prandtl. La massima velocità dei gas combusti, nel caso di una

3 configurazione a tubi allineati come quella in esame, si ha chiaramente in corrispondenza dei piani in cui giacciono gli assi di tubi appartenenti ad uno stesso ordine. I coefficienti K a, m e K b possono essere ricavati dalle tabelle sotto riportate. S T /D S L /D K a m K a m K a m K a m N L K b C. Avendo stimato il coefficiente di scambio termico medio sulla superficie interna dei tubi e quello medio sulla superficie esterna, determinare per lo scambiatore in esame il prodotto U A (coefficiente globale di scambio termico moltiplicato per la superficie totale di scambio termico). Discutere il risultato, analizzando il contribuito dei singoli processi di scambio termico alla formazione del coefficiente globale di scambio. D. Valutare anche il prodotto U A per lo stesso scambiatore invecchiato, con incrostazioni interne ed esterne che causano una resistenza termica superficiale pari a 1 C cm 2 /W dal lato acqua e pari a 2 C cm 2 /W dal lato gas combusti. Si verifichi la caduta percentuale del valore di U A. E. Determinare la temperatura a cui, a scambiatore sia nuovo che invecchiato, si ottiene l acqua calda, utilizzando il più opportuno tra i diagrammi per il dimensionamento degli scambiatori di calore riprodotti in allegato, o altri approcci equivalenti (nel caso, citare il riferimento bibliografico). Suggerimento: si possono utilizzare sia il metodo della differenza di temperatura logaritmica media, che però richiede l impiego di un procedimento iterativo a partire da una stima di primo tentativo, sia il metodo ε-ntu. F. Schematizzare graficamente lo scambiatore di calore, dato dall insieme di plenum e fascio tubiero. G. Individuare, tra le pompe di cui si riportano a lato le curve caratteristiche, quella che meglio si presta ad assicurare la portata di acqua desiderata, commentando il risultato. Ai fini del calcolo delle perdite di carico, si consideri che l acqua è prelevata dalla rete di distribuzione idrica a pressione relativa 3 bar e deve essere erogata all utenza finale a pressione relativa 5 bar. La caduta di pressione che si ha nell acqua attraverso lo scambiatore di calore è circa pari a 2.2 bar. Inoltre, la conduttura di raccordo tra presa di rete idrica e scambiatore presenta un diametro interno di 40 mm, una rugosità interna di 1 mm ed uno sviluppo longitudinale di 70 m, mentre la conduttura di raccordo tra scambiatore ed utenza finale presenta un diametro interno di 50 mm, una rugosità interna di 2 mm ed uno sviluppo longitudinale di 120 m. H. La conduttura di raccordo tra scambiatore ed utenza finale, realizzata in acciaio inossidabile con spessore di parete 3 mm, è rivestita da una guaina in materiale isolante con diametro esterno 80 mm e conduttività termica del materiale pari a W/(m C). Si valutino le dispersioni termiche e la variazione di temperatura dell acqua lungo la conduttura suddetta, sapendo che il coefficiente di scambio termico medio sulla superficie esterna della guaina si può assumere circa pari a 10 W/(m 2 C) e che l aria negli ambienti attraversati dalla conduttura presenta temperatura media 25 C. Prevalenza (m) Portata (l/min) P-060 P-110 P-165 P-220

4 ESAME DI STATO PER L ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE 1 a Sessione - 25 maggio 2004 Tema n. 2 Meccanica/Materiali 2 Si consideri l'occhio saldato al fondo di un martinetto, che si impegna con uno spinotto, in modo da costituire uno snodo cilindrico. Tale articolazione viene per esempio impiegata nella movimentazione di pinze usate per sollevare rottami. Il raggio interno dell'occhio vale 20 mm, quello esterno 30 mm, mentre lo spessore assiale è di 15 mm. L'occhio ed il martinetto vengono realizzati in C Calcolare il carico massimo sopportabile dall'occhio per un coefficiente di sicurezza di 2, assimilando nei calcoli l'occhio ad un piede di biella. 2 - Per un diametro esterno del martinetto di 120 mm dimensionare lo spessore del mantello per una pressione interna tale che la forza assiale esercitata sul pistone (stantuffo), non mostrato in Figura, del martinetto eguagli il carico calcolato al punto Dimensionare occhio e mantello del martinetto per un carico assiale 1.3 volte quello valutato al punto Rappresentare in uno schizzo la giunzione saldata tra occhio e fondo del martinetto, evidenziando la scelta effettuata per i cordoni di saldatura.

5 ESAME DI STATO PER L'ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE 1 a Sessione 25 maggio Tema n. 3 - Ing. Gestionale L azienda Alfa S.p.A., che opera nel settore tessile, ha deciso di ampliare il magazzino prodotti finiti, valutando l ipotesi di acquistare lo stabile rappresentato in figura 1 (altezza dello stabile al sottotrave 13 [m]) in cui trasferire tutta la merce da stoccare. A tal fine, è necessaria un analisi storica della potenzialità ricettiva, con l obiettivo di risolvere il problema del sottodimensionamento dell area attualmente destinata allo stoccaggio (eventualmente da smantellare). I dati storici della domanda sono riportati nelle tabelle 1, 2, 3, suddivisi per famiglia di prodotti (T-shirt, camicie, jeans). In particolare, per ciascuna famiglia i dati delle giacenze sono suddivisi per modello. Tali valori sono comprensivi delle richieste da parte dei grossisti, dei dettaglianti e dei clienti i quali si riforniscono presso lo spaccio aziendale. Si richiede di: 1. dimensionare gli imballi (mono-famiglia) secondari dei prodotti, sapendo che le dimensioni degli imballi primari sono riportate in tabella 4 e che l azienda adotta scatoloni di cartone dello spessore di 4 mm. In particolare, nel dimensionamento si presti particolare attenzione all ergonomia dell imballo, che deve risultare facilmente trasportabile (manualmente) dai commessi dei negozi; 2. determinare la disposizione ottimale degli imballi secondari sui pallet, sapendo che l azienda raggruppa su uno stesso pallet prodotti dello stesso tipo (stessa famiglia e stesso modello) e sapendo che i pallet utilizzati hanno dimensioni 1000x1200x150 [mm]. E ammesso un debordo massimo del 3% per ogni lato del pallet; 3. calcolare i rendimenti volumetrici degli imballi secondario e terziario; 4. dimensionare un magazzino a scaffalature bifronti a semplice profondità e servito da carrelli elevatori frontali a tre ruote, nel soddisfacimento della giacenza richiesta e più precisamente limitando il rischio di sottodimensionamento al 10%; 5. riprogettare e razionalizzare il magazzino al fine di valutarne la capacità di sostenere un aumento della domanda. Più precisamente proporre delle modifiche al progetto effettuato al punto precedente, con l obiettivo di garantire una giacenza superiore del 40% alla massima registrata nello storico documentato nelle tabelle 1, 2, 3; 6. dimensionare la baia di scambio materiale per entrambi i progetti del magazzino; 7. calcolare gli indici di saturazione del magazzino in termini di pallet/m 2 e pallet/m 3 per entrambi i progetti del magazzino; 8. costruire la mappatura temporale dei due differenti magazzini in base alle velocità medie dei mezzi impiegati; 9. calcolare la capacità di movimentazione annua (espressa in unità di carico movimentate) dei due magazzini ipotizzando di avere una flotta di 3 carrelli elevatori (disponibili all 85%) che lavorano su due turni al giorno, ciascuno di 8 h/turno; Facoltativo: calcolare la capacità di movimentazione annua per ciascuna famiglia di prodotti qualora si muovano proporzionalmente all entità di merce stoccata, dopo avere riallocato la stessa per classi di famiglie a diversa movimentazione. Per i dati non esplicitamente riportati fare riferimento a norme di buon progetto. Figura 1: Planimetria dello stabile da acquistare (scala 1: 750) Area riservata a servizi e uffici I/O Ogni riproduzione non autorizzata è perseguibile a norma di legge

6 Tabella 1: Storico delle giacenze delle T-shirt [unità] T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Tabella 2: Storico delle giacenze delle camicie [unità] C1 C2 C3 Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Ogni riproduzione non autorizzata è perseguibile a norma di legge

7 Tabella 3: Storico delle giacenze dei jeans [unità] J1 J2 J3 J4 J5 Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Tabella 4: Dimensioni degli imballi primari dei prodotti Lunghezza [mm] Larghezza [mm] Altezza [mm] T-shirt Camicie Jeans Ogni riproduzione non autorizzata è perseguibile a norma di legge

8 ESAME DI STATO PER L'ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE 1 a Sessione 25 maggio Tema n. 4 - Ing. Meccatronica Progettazione di una macchina di prova idraulica per l'effettuazione di prove su materiali metallici (leghe leggere, di titanio e ferrose). La macchina è controllata in retroazione sulla posizione. Specifiche di progetto: Pressione circuito oleodinamico Altezza massima traversa Luce tra le colonne Corsa pistone Comprimibilità volumetrica olio p 0 = 220 bar. h t = 1500 mm. l c = 900 mm. c = 500 mm. = /bar. Prove effettuabili: Effettuazione di prove statiche ±250 kn. Si richiede una deformazione della struttura con traversa alla massima altezza limitata a 0.01 mm. Prove di fatica assiale su sezioni di 200 mm 2 sinusoidale, f = 40 Hz. Prove di fatica su provini a tre punti W = 2. sinusoidale, f = 40 Hz. Effettuare il dimensionamento di massima della struttura meccanica in condizioni statiche e dinamiche. Determinare, con la stima delle cedevolezze e delle forze richieste la portata richiesta dalla servovalvola per le prove dinamiche di fatica. Completare con uno schema del sistema di controllo effettuando una stima dei principali parametri. D CELLA DI CARICO 5D PROVINO LVDT V R Servo Valvola p 0 V IN W/4 W 8W Funzione di trasferimento elettrovalvola fornita dal costruttore: Q(s) = (K 1 I K 2 p )[1/(1+s/ n)] I = corrente, p = pressione, K 1 = 3 inches 3 /s / ma, K 2 = 0.02 inches 3 /s / psi frequenza di risonanza 100 Hz.

9 Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Facoltà di Ingegneria Sede di Modena Esame di Stato del 25 Maggio 2004 TEMA DI INFORMATICA TEMA N. 5 Si deve progettare il supporto informatico necessario per la definizione e la gestione di protocolli di cura in strutture cliniche ma anche presso l abitazione del paziente. Per protocollo di cura s intende un processo formato da una successione di fasi con eventuali cicli e alternative di percorso. Per ogni fase è indicato il tipo di cura da somministrare e, in seguito all applicazione al singolo paziente, occorre registrare il suo effetto. La decisione di ripetere un ciclo e la scelta di percorso fra le alternative disponibili sono effettuate sulla base dell effetto della cura somministrata durante la precedente fase. Di norma il protocollo di cura è attivato mentre il paziente si trova ricoverato in una struttura clinica e prosegue dopo la sua dimissione; per questo l applicazione è necessariamente basata su Internet. I profili d utente sono sostanzialmente tre: - L esperto, che definisce i protocolli di cura in termini di successione di fasi, cicli e alternative di percorso, e li registra in un opportuna libreria. - Il responsabile, che assegna al singolo paziente il protocollo più opportuno e poi tiene periodicamente sotto controllo lo stato d avanzamento della cura. - Il somministratore, che ha in carico di eseguire la cura sul singolo paziente, eventualmente a casa sua, ed aggiorna di conseguenza lo stato d avanzamento del protocollo. Il candidato è invitato a dettagliare e ad integrare queste specifiche a suo piacimento ipotizzando, in particolare, gli attributi che descrivono le entità del dominio applicativo. Si richiede di: a) Delineare l organizzazione del sistema informativo che si intende proporre individuando le tipologie di dati, la loro dinamica, i vincoli e le principali funzionalità che il sistema deve offrire, e i comportamenti del personale addetto alla gestione e alla utilizzazione del sistema. b) Delineare l architettura generale dell impianto informatico che può supportare questa applicazione indicando il numero, il tipo e la configurazione dei processori utilizzati, le modalità di interconnessione, gli ambienti operativi e di sviluppo ritenuti più idonei per questo tipo di applicazione. c) Approfondire e dettagliare uno degli aspetti di questo progetto, sia esso relativo all organizzazione del sistema informativo o all impianto informatico, scegliendo fra quelli che meglio possono rappresentare la propria preparazione ed esperienza professionale.

10 ESAME DI STATO PER L ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE I SESSIONE MAGGIO 2004 TEMA DI ELETTRONICA TEMA N. 6 Con riferimento alla figura 1, nella quale tutti i transistor a canale n sono uguali tra loro e così pure i transistor a canale p: 1) determinare la funzione logica realizzata; 2) determinare il rapporto dei fattori di forma, imponendo che per V A =V DD, la soglia logica del circuito sia V TL =V DD /2; 3) con riferimento alla caratteristica V O (V B ) per V A =V DD riportata schematicamente in figura 2, individuare le coordinate dei punti notevoli A, B, C, e D; 4) calcolare la soglia logica del circuito (con V A =V B ); 5) individuare il processo di commutazione caratterizzato dal massimo ritardo e calcolare il valore al 90% della massima escursione assumendo (W/L) n =1; 6) si calcoli il guadagno per piccoli segnali del circuito v o /v b con V A cortocircuitato all alimentazione e V B =V O =V DD /2. Per la soluzione delle domande 4 e 5 si consiglia di considerare ciascuna coppia di transistori a canale n in serie equivalente ad un unico transistore di lunghezza doppia. Si trascuri l effetto body nella soluzione di tutte le domande esclusa la 6, e si assumano i seguenti parametri: V DD =3.3V, V Tn =0.7V, V Tp =-0.7V, β p=15µa/v 2, β n=30µa/v 2, C L =0.1pF, γ n =0.5V 1/2, 2φ F =0.8V.

11 Esame di Stato per l Abilitazione all Esercizio della Professione di Ingegnere Tema di Telecomunicazioni TEMA N. 7 Il collegamento fra una stazione trasmittente ed una ricevente separate da un rilievo montuoso è ottenuto mediante due tratte in ponte radio. La stazione intermedia, posizionata sulla sommità del monte, effettua una conversione di frequenza ed una amplificazione del segnale. La prima tratta è lunga d 1 =55 Km ed opera ad una frequenza f 1 =3 GHz. La seconda ha una lunghezza d 2 =30 Km ed opera alla frequenza f 2 =4 GHz. Per entrambe, i ricevitori richiedono una potenza di segnale minima P r1 =P r2 =200 nw ed un rapporto segnale rumore minimo (S/N) min =40dB. Le antenne impiegate, tutte uguali, sono paraboloidi a sezione circolare con efficienza d apertura o di bocca ρ =0.75. Le antenne riceventi oltre al segnale trasmesso captano anche il rumore termico prodotto dalla superficie terrestre e dall atmosfera. La temperatura equivalente di questo rumore, detta anche temperatura equivalente dell antenna, vale T eq =270K. Sapendo che l antenna della stazione trasmittente irradia una potenza di segnale P t1 =1W con un rapporto segnale rumore (S/N) t1 =60dB, calcolare il diametro minimo D che devono avere le antenne, il guadagno in potenza G minimo e la cifra di rumore NF massima che deve avere l amplificatore di banda B=60 MHz posto nella stazione intermedia. Stazione intermedia T eq G, NF Stazione trasmittente d 1 d 2 Stazione ricevente T eq, P t1, (S/N) t1