UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA ESAME DI STATO PER L ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE INDUSTRIALE (per i laureati in possesso di laurea Specialistica) SEZIONE A - II SESSIONE /12/2006 PROVA N. 3 (Prova Pratica). Ramo Gestionale Un impresa realizza un determinato tipo di attrezzatura speciale, oggi prodotta in una quantità di 2000 pezzi all anno e venduta a un prezzo unitario di 100. I costi di produzione attuali sono di 60 al pezzo. Per il futuro si prevede un massiccio aumento degli ordinativi. L impresa sta quindi considerando il raddoppio della capacità produttiva, realizzando una seconda linea produttiva uguale a quella esistente e che quindi presumibilmente sarà caratterizzata dagli stessi dati economici relativamente a costi e ricavi. Si stima che l investimento iniziale nelle attrezzature necessarie per la seconda linea ammonti a e che tali attrezzature avranno una durata di 10 anni con un valore di realizzo nullo. Considerato che il prezzo di vendita dell attrezzatura è aumentato del 2% nell ultimo anno, si potrà supporre che lo stesso aumento annuo percentuale caratterizzerà anche gli anni futuri. Allo stesso tempo, i costi di produzione erano cresciuti del 2% nell ultimo anno, e quindi anche in questo caso si può prevedere che lo stesso aumento annuo percentuale caratterizzerà gli anni futuri. Si richiede che il candidato: a) ricostruisca correttamente il flusso di cassa apparente, monetario e reale dell investimento trascurando gli effetti fiscali e ipotizzando un tasso annuo di inflazione del 2% per i prossimi 10 anni, e calcoli poi il tasso interno di rendimento reale, apparente e monetario; b) ripeta il punto a) ma considerando un tasso annuo di inflazione dell 1% per i prossimi 10 anni; c) effettui l analisi come nei punti a e b ma considerando anche gli effetti fiscali, assumendo in questo caso un aliquota del 40% e una modalità di ammortamento a quote costanti su 5 anni con valore contabile finale nullo. Il candidato dovrà poi ripetere l analisi indicata nel precedente punto c) assumendo che l impresa utilizzi un mutuo di per finanziare l investimento, al tasso fisso del 10% in 5 anni e rate annuali costanti al termine di ciascun anno.

2 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA ESAME DI STATO PER L ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE INDUSTRIALE (per i laureati in possesso di laurea Specialistica) SEZIONE A - II SESSIONE /12/2006 PROVA N. 3 (Prova Pratica). Ramo Meccanico Dimensionare l'albero di un compressore centrifugo che assorbe 15 kw di potenza a n=600 giri/minuto. Il rotore, del peso di 90 kg uniformemente distribuito sulla lunghezza di 600 mm, è sistemato al centro fra i supporti. A sbalzo, oltre il supporto di destra, è alloggiata la puleggia motrice. Il tiro totale della cinghia è di 2500 N ed agisce in un piano inclinato di 10 sull'orizzontale. Il candidato assuma gli elementi mancanti. L'albero va progettato a fatica, rigidezza flessionale, torsionale e velocità critica; si esegua inoltre un disegno costruttivo della soluzione verificata.

3 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA ESAME DI STATO PER L ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE INDUSTRIALE (per i laureati in possesso di laurea Specialistica) SEZIONE A - II SESSIONE /12/2006 PROVA N. 3 (Prova Pratica). Ramo Chimico Uno dei metodi utilizzati per la produzione di idrogeno è costituito dal reforming di metano con vapore. Il processo si sviluppa normalmente su tre reattori in serie che operano in condizioni diverse di esercizio. In uno di questi impianti, si alimenta nel primo reattore una miscela vapore/metano in rapporto molare 2 a 1; si opera a C con catalizzatore a base di nichel. Le reazioni che avvengono sono le seguenti: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CO + H 2 O CO 2 + 3H 2. Il gas in uscita contiene l 11,3% di CO sul secco, ed ha un umidità molale pari al 35,9%. Il secondo reattore opera a 1000 C sempre con catalizzatore a base di nichel; esso ha il compito di convertire tutto il metano residuo, e riceve una miscela gassosa addizionata di aria secca in difetto. Le reazioni coinvolte nel secondo reattore sono: H 2 + 0,5O 2 H 2 O CH 4 + H 2 O CO + 3H 2. La prima di queste reazioni consuma tutto l ossigeno presente. La fase gassosa in uscita dal reattore ha un umidità assoluta pari al 34,7% e un contenuto di CO pari al 15,4% sul secco. Il terzo reattore ha il compito di convertire il CO in idrogeno in base alla reazione di equilibrio: CO + H 2 O CO 2 + H 2. Esso opera a 450 C con catalizzatore a base di ferro, e riceve una miscela gassosa addizionata di una certa quantità di vapore. Nelle condizioni operative la costante di equilibrio vale 46,28. Rappresentare graficamente l impianto. Calcolare: La quantità di aria (in Nm 3 ) da alimentare per Nm 3 di metano per avere nei gas di coda dell impianto un rapporto H 2 /N 2 pari a 3,1; Il tenore di CO residuo (% sul secco) nella miscela gassosa in uscita dall impianto.

4 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA ESAME DI STATO PER L ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE INDUSTRIALE (per i laureati in possesso di laurea Specialistica) SEZIONE A - II SESSIONE /12/2006 PROVA N. 3 (Prova Pratica). Ramo Elettrotecnica-Elettrica Il candidato risponda in modo esauriente ad uno dei seguenti quesiti: I quesito 1) Con riferimento alle due teste di palo (A) e (B) mostrate in figura e con i dati ivi specificati si calcolino: a) l'impedenza longitudinale chilometrica e l'ammettenza trasversale chilometrica. Si assuma per la conduttanza trasversale valore nullo solo nel caso (B) mentre per il caso (A) si considerino solo giorni piovosi; b) la potenza naturale ipotizzando le linee (A) e (B) come ideali (r=g=0). Tutte le quote sono espresse in m (A) f = 50 Hz (B) 0,4 4 conduttori per fase Subconduttore All-Acc 520/54+19 Conduttore Cu 70/19 3 9,0 9,0 1,0 1, ,5 2 0,4 k'=0,04086 U n =380 kv k'=0,05 U n =20 kv k' è il contributo dovuto al campo magnetico interno al conduttore in mh/km 2) Con riferimento alla linea trifase di figura, esercita a tensione nominale U n =20 [kv], si richiede di: A M V N =20 kv; f = 50 Hz 1,5 km 1 S 1 Potenze richiesta dalla cabine di distribuzione, lato M.T.: S& 1 = 6,00 MW + j6, 00 Mvar a) dimensionare la linea in cavo RG7H1RX sapendo che si prevede l'utilizzo di tre cavi unipolari posati a trifoglio a contatto direttamente interrati in terreno a resistività termica pari a 200 Ccm/W e che la massima caduta di tensione ammissibile deve essere del 1 %; b) dopo il dimensionamento, calcolare la massima caduta di tensione percentuale; c) calcolare le perdite elettriche Joule complessive e quelle dielettriche (tanδ= ); d) supponendo che le protezioni della conduttura in cavo intervengano in t=2 s e che la corrente di corto circuito massima termicamente equivalente per tutto il tempo t sia 12,5 ka, verificare se la sezione scelta è adeguata (ϑ esercizio =90 C, ϑ massima =250 C); e) supponiamo che il cliente 1 voglia rifasare il proprio carico fino a cosϕ N =0.95. Si calcoli la potenza del gruppo di rifasamento, si scelga il livello di tensione su cui installarlo e il collegamento. Sapendo che la potenza di corto circuito trifase nel nodo in MT è di 100 MVA si calcoli l'ordine di armonica n per cui il gruppo di rifasamento entra in condizioni di risonanza. Nel caso fosse presente nell'impianto una cospicua quinta armonica quali provvedimenti si potrebbero intraprendere? f) È possibile utilizzare il rifasamento per eliminare la quinta armonica? Se sì, in che modo?

5 3) Supponendo che tutta la rete MT di figura sia costituita da conduttori in rame con induttanza chilometrica l = [mh/km] e resistenza chilometrica (a 20 C) r = [Ω/km] e che la corrente di corto circuito subtransitoria trifase sulla sbarra A sia specificata in figura e che le caratteristiche dei trasformatori e del motore asincrono trifase siano riassunte nella tabella (nel punto 1 sono derivati due trasformatori in parallelo identici ), calcolare a) la corrente iniziale subtransitoria e la corrente di picco MASSIME nel caso di corto circuito trifase netto nel punto 1s trascurando la presenza dell'asincrono; b) la corrente iniziale subtransitoria e la corrente di picco MASSIME nel caso di corto circuito trifase netto nel punto 1s considerando la presenza dell'asincrono; c) calcolare, trascurando l'asincrono, la corrente iniziale subtransitoria e quella di picco MINIME nel caso di corto circuito monofase netto nel punto 1c nell'ipotesi che la linea 1s-1c sia un cavo quadripolare 4x70 mm 2 (3+1 conduttori) di lunghezza 100 metri (temperatura massima di esercizio= 90 C; R 20 =268.6 mohm/km; X=82 mohm/km; R 0 /R=4;X 0 /X=3.66). I'' kqmax = 15 ka con c=1.1 I'' kqmin = 12 ka con c= 1.0 Fattore di tensione A 132 kv T1 M1 20 kv 6 km - Linea aerea 1 20 kv T2 400 V 1s M 3 Potenza T1 T2 Motore asincrono trifase 25 MVA 200 [kva] U kv 20 [kv] U 2 20 kv 400 [V] Potenza attiva Tensione nominale Rendimento nominale 200 kw 400 V 0.8 u cc % cosϕ N 0.8 1c C cosϕ cc Gruppo e collegamento Yy0 Dyn11 Corrente di avviamento 5 I N PORTATE DI CORRENTE IN REGIME PERMANENTE CAPACITÀ a 50 Hz (μf/km) RESISTENZA APPARENTE DEL CONDUTTORE A 90 C (Ohm/km) REATTANZA DI FASE A 50 Hz (Ohm/km)

6 ESAMI DI STATO PER L ABILITAZIONE ALL ESERCIZIO DELLA PROFESSIONE DI INGEGNERE INDUSTRIALE PER CANDIDATI IN POSSESSO DELLA LAUREA SPECIALISTICA. Ramo Elettrotecnica-Elettrica I quesito Foglio delle risposte Cognome e Nome: Domanda n. 1 a) (A) = z& +j [Ω/km]; = +j [µs/km] y& = (B) z& +j [Ω/km]; = +j [µs/km] y& b) Domanda n. 2 a) b) Sezione commerciale del cavo [mm 2 ] Grado di isolamento Max cdt percentuale [%] c) Perdite complessive Joule Perdite complessive dielettriche kw kw d) e) Q= Mvar; Installazione: Collegamento: f) Domanda n 3 Ig a) SENZA ASINCRONO b) CON ASINCRONO d) SENZA ASINCRONO Corrente iniziale subtransitoria Corrente di picco Corrente iniziale subtransitoria Corrente di picco Corrente iniziale subtransitoria Corrente di picco

7 II quesito Cognome e Nome: Progettare un trasformatore trifase in olio, per servizio continuativo, di potenza nominale pari a Sn=630 kva, con tensioni nominali V1n/V2n = 20/0.4 kv e frequenza nominale di 50 Hz. Si preveda un collegamento Dyn11 con possibilità di regolazione della tensione primaria a macchina disinserita del ± 2x2.5. La tensione di corto circuito richiesta è vcc% 6 %, la corrente a vuoto 1%. Le perdite a vuoto sono stabilite in P 0 =900 W e quelle in corto circuito in P cc =5600 W. Sui valori delle perdite è ammessa una tolleranza del 5%. Per eventuali eccedenze delle perdite rispetto al 5% (comunque non superiori al limite massimo di 15%) si applica una penale pari a: 0.1 (perdite a vuoto 1.05 P 0 )+0.02 (perdite nel rame a carico nominale 1.05 P cc ) in % del costo complessivo del trasformatore. Presentare il progetto completo, compilando la seguente tabella riassuntiva: Scelte progettuali Note Flusso magnetico Induzione nel ferro Carico elettrico (A/m) Densità di corrente AT Densità di corrente BT Dimensioni Avvolgimento BT Avvolgimento AT NUCLEO Num. spire Sezione spire Tipo conduttore Altezza avvolg. Num. spire Sezione spire Tipo conduttore Altezza avvolg. Altezza colonna Sezione colonna Interasse Sezione giogo Diametro interno Diametro esterno Diametro interno Diametro esterno Note sull'avvolg. Note sull'avvolg. Note sul nucleo Altezza cassa Larghezza cassa Lunghezza cassa Tipo di raffredd. e descrizione CASSA PESI VERIFICHE Conduttore BT Conduttore AT Ferromagn. Eventuale penale per eccedenza perdite [% del costo trasf.] Perdite avv. BT Perdite avv. AT Perdite ferro Sovratemp. BT Sovratemp. AT Rendimento Corrente a vuoto Tensione cc %

8 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA ESAME DI STATO PER L ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE INDUSTRIALE (per i laureati in possesso di laurea Specialistica) SEZIONE A - II SESSIONE /12/2006 PROVA N. 3 (Prova Pratica). Ramo Materiali TEMA 1) i) Descrivere brevemente le fasi principali della tecnologia di fabbricazione del vetro e come si può aumentare la sua resistenza a rottura. ii) Calcolare il modulo di rottura a flessione (su tre punti) di un provino ceramico di Al 2 O 3 di sezione quadrata (lato s=8mm) sapendo che il provino si rompe ad un carico F di 2816N e l=60mm. Sapendo inoltre che tale provino ha una tenacità a frattura K IC =2.9MPa m 1/2, contiene cricche superficiali di dimensione 25μm mentre la dimensione media del difetto presente è di 9μm (semilunghezze delle cricche), stimare la resistenza a trazione e a compressione di tale provino. iii) Supponendo di smaltare una lastra di tale materiale con uno smalto ceramico di cui sono noti E=70GPa, ν=0.25 e α=4x10-6 C -1, calcolare lo sforzo agente sullo smalto dopo un raffreddamento da 800 a 20 C supponendo che inizialmente il sistema non sia soggetto a tensioni. Si supponga che la dilatazione del substrato non venga influenzata da quella dello strato di smalto (il coefficiente di dilatazione termica dell allumina è α All =9x10-6 C -1 ). TEMA 2) Nelle figure 1,2 e 3 sono riportate le caratteristiche di 3 acciai. Specificare a quale classe appartengono e indicarne alcune tipiche applicazioni spiegando i criteri di scelta e illustrare i significato delle curve di figura 1. Il candidato descriva inoltre il trattamento di indurimento superficiale (tipo di atmosfera, temperatura) idoneo per l acciaio 41CrAlMo7 e la microstruttura degli strati superficiali. Un ingranaggio di un acciaio della famiglia di figura 3 deve subire una cementazione gassosa a 927 C, calcolare il contenuto di carbonio a mm di profondità dopo 3h di cementazione. Si assuma che la concentrazione superficiale di carbonio diventi 1.00%. Si assuma a 927 C D = 1.28 x m 2 /s

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