Il progetto NPFP si propone di sviluppare e applicare nuovi paradigmi che costituiscano una svolta nella progettazione, costruzione e funzionamento di macchine e impianti per l’industria alimentare: Paradigma 1 (P1): “Progettazione e produzione mediante nuove tecnologie” Paradigma 2 (P2): “Controllo del processo dalle proprietà del prodotto trasformato” Principali filiere coinvolte: Alimentare, Meccanica, Regolamentazione, ICT. Sito web del progetto: www.npfp.it

1. Prof. Ing. Alessandro Pirondi
Centro SITEIA.PARMA - Università di Parma

2. NPFP 2
Overview progetto

3. NPFP 3
efficienza energetica
lead time
made-to-order
pulibilità
costodicostruzione
controllo processo
manutenzione
Genesi: analisi esigenze aziendali

4. NPFP 4
Genesi: sintesi risposta tecnologica
Imbottigliamento
Processo

5. NPFP 5
Obbiettivi: “dimostratore”
Paradigma 1
• Un collettore rotante utilizzato nelle riempitrici bevande realizzato con superfici di
tenuta in ceramico massivo e un corpo in stampa 3D:
i) allungamento intervallo manutenzione;
ii) miglioramento dell'hygienic design;
• Un contenitore per le zone a flusso laminare ridotto nei tunnel di sterilizzazione
delle riempitrici bevande, assemblato mediante incollaggio/friction stir welding
i) diminuzione lead time
ii) riduzione del costo di assemblaggio
• Una sezione di tunnel la cui superficie esterna verra' strutturata fisicamente
mediante laser ad impulsi ultracorti
i) miglioramento pulibilità

6. NPFP 6
Obbiettivi
Paradigma 2
• scambiatori di calore a superficie raschiata/corrugata ed estrusori per pasta
i) incremento dello scambio termico/risparmio energetico
• omogeneizzatore per latte e derivati con nuova logica di controllo basata sulla
disponibilita' di informazioni in continuo del grado di omogeneizzazione:
i) maggiore affidabilita' di omogeneizzazione;
ii) possibilita' di manutenzione preventiva;
iii) risparmio energetico.

7. NPFP 7
Sviluppo Paradigma 1

8. NPFP 8
Collettore rotante
SPECIFICHE TECNICHE E VINCOLI:
 Pressioni di esercizio sino a 7bar
 Acciaio utilizzato AISI 316L
 Ingombri esterni non superiori agli attuali
 Velocità di rotazione max 25 rpm
 Durata tenute di almeno 12000h
 Assenza di lubrificazione
 Presenza di umidità
 Temperatura massima in fase di
sanificazione 90°C
 Agenti chimicamente aggressivi

9. NPFP 9
ACC. TEST BENCH
STRUCTURAL PARTS
GREEN PARTS
ACC. TEST BENCH GASKETS
PARTS
RED PARTS
ACC. TEST BENCH COATING
PARTS
WHITE PARTS
SILIPPERS
Banco sperimentale per il collaudo (presso Sidel)
Collettore rotante: tenute

10. NPFP 10
SOLUZIONE A: TENUTA ELASTOMERO/CERAMICO INTEGRALE CON ANELLI
CERAMICI RIPORTATI SU METALLO (ELASTICAMENTE O SALDOBRASATI)
Block-on-ring friction and wear testThermazyl rod
modifica banco
Collettore rotante: tenute
miglioramento usura no miglioramento usura
soluzione scartata

11. NPFP 11
TEST TRIBOLOGICI
USURA DELLA GUARNIZIONE INFERIORE A QUELLE OTTENUTE CON RIPORTO CERAMICO TRADIZIONALE

12. NPFP 12
TEST TRIBOLOGICI
COEFFICIENTE D‘ATTRITO NETTAMENTE INFERIORE, MINORE COPPIA ASSORBITA

13. NPFP 13
La parte rotante è composta da
un anello in acciaio AISI 316 (1)
e da un anello in ceramico (2),
montati in modo coassiale ad
un anello fisso esterno (4)
anch’esso in acciaio AISI 316.
Interposizione, al posto delle
tenute, di un anello fisso (3)
anch’esso ceramico, con gioco
estremamente ridotto.
SOLUZIONE B: TENUTA CERAMICO/CERAMICO CILINDRICA CON ANELLI
CERAMICI RIPORTATI SU METALLO (ELASTICAMENTE O SALDOBRASATI)
Collettore rotante: tenute
MASSIVE CERAMIC
BUSHINGS
10 mm GAP

14. NPFP 14
Soluzione B: proposta modifica banco sperimentale per il collaudo
Virtual evaluation of in-service gap, stresses and leakage
Thermo-structural FE model CFD model
Cost analysis Decision (go/no go)
Ok for different load cases Not ok for Co2 ->43mg/s
CIP hot water ->18mg/s
Collettore rotante: tenute
GO !

15. NPFP 15
Soluzione B: NUOVO DESIGN DEL MODULO IN BASE AI REALI GREZZI DISPONIBILI
COMPONENTI IN LAVORAZIONE
Collettore rotante: tenute

16. NPFP 16
SOLUZIONI A-B: REALIZZAZIONE SALDOBRASATURA COLLEGAMENTO ANELLI
CERAMICI - METALLO
Collettore rotante: tenute
Realizzazione saldobrasature su
provini metallo-ceramici (Task 1.6)
Design superfici saldobrasatura su
campioni in scala reale (Task 1.9)
Realizzazione test shock
termico su provini saldobrasati
metallo-ceramici (TASK 1.6)
Analisi dei campioni dopo i test – SEM
TASK 2.7
(in progress)

17. NPFP 17
Tunnel Flusso Laminare Ridotto (FLR)
CARTERATURA ESTERNA F.L.R.
• Dilatazioni termiche
• Ambiente aggressivo
• Giunzioni testa-testa o a semplice coprigiunto
• Lamiera spessore 1,5-2 mm in AISI 304
• Carichi: solo peso proprio e azioni dinamiche
durante il trasporto
• Manovrabilità entro le 24 h dall’assemblaggio
• Durata: 20 anni
• Pulizia con agenti chimicamente aggressivi
• Temperatura massima: 40°C (occ. 70 °C;

18. NPFP 18
PUNTO DI PAREGGIO [n° MACCHINE]
DISP. PNEUMATICI DISP. MECCANICI
C11 C12 C11 C12
2 2 1 1
C21 C22 C21 C22
2 2 1 1
RIENTRO INVESTIMENTO [n° MACCHINE]
DISP. PNEUMATICI DISP.MECCANICI
C11 C12 C11 C12
3 3 2 2
C21 C22 C21 C22
4 4 2 2
Tunnel FLR: incollaggio
Valutazione costi
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
- CASO 1 CASO 2 CASO 1 CASO 2
- CONFIGURAZIONE 1CONFIGURAZIONE 2
LEADTIME[%]
SALDATURA
DISPOSITIVO PNEUMATICO
DISPOSITIVO MECCANICO
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
- CASO 1 CASO 2 CASO 1 CASO 2
- CONFIGURAZIONE 1CONFIGURAZIONE 2
LEADTIME[%]
SALDATURA
DISPOSITIVO PNEUMATICO
DISPOSITIVO MECCANICO
Valutazione lead time

19. NPFP 19
 Immersione di campioni di giunti in soluzioni da ricette COP per 50 giorni (contatto con
sanificante su 20 anni);
 Ricambio soluzioni ogni 7 giorni;
 Temperatura di condizionamento = Massima COP
 Misura resistenza residua a metà e al termine del periodo (UNI EN 1465)
Tunnel FLR: incollaggio
Programmazione ed esecuzione esperimenti
11.025 11.346
18.658
4.494
14.189
5.416
8.978
5.528
11.717
3.694
0.000
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
σ_media[MPa]
3M_NI
E_NI
3M_25_b
E_25_b
3M_25_a
E_25_a
3M_50g_b
E_50g_b
3M_50g_a
E_50g_a
Prove invecchiamento giunti «primerizzati» per aumento durabilità in corso

20. NPFP 20
Adesione batterica in condizioni statiche determina la lunghezza di cut-off ~ dimensione
minima dei batteri
Progettazione della superficie
Superfici texturizzate
- Forma sferica
- ø ~ 0.5 µm
- Gram-positivo
Staffilococcus Aureus
- Forma cilindrica
- l = 2 µm, ø = 0.5 µm
- Gram-negativo
Pseudomonas Aeruginosa

21. NPFP 21
20 µm
2.33 J/cm21.14 J/cm20.36 J/cm2
Superfici texturizzate
Realizzazione del pattern mediante laser pulsato ad elevate frequenza

22. NPFP 22
Superfici texturizzate
Tests preliminari di laser texturing su tubo per il set-up macchina
Prove pulibilità in corso

23. NPFP 23
Sviluppo Paradigma 2

24. NPFP 24
Ottimizzazione prestazioni mediante
modellazione CFD e sperimentazione

25. NPFP 25
Ottimizzazione scambiatori di calore
• Prove comparative di scambiatori a fascio tubiero con tubi lisci, tubi a singola
corrugazione e tubi a doppia corrugazione.
• Fluidi di test: glicole etilenico ed acqua.
• Valutazioni delle prestazioni (perdite di carico e scambio termico) sia per il lato
prodotto che per il lato fluido di servizio.
Selezione casi di studio e modellazione
• Sviluppo modelli matematici da utilizzare per la progettazione
• Determinazione dei coefficienti necessari alla definizione di correlazioni
caratterizzanti il comportamento degli scambiatori studiati.

26. NPFP 26
Progettazione ed esecuzione della campagna sperimentale per l’ottimizzazione
• Sono stati individuati i parametri geometrici da studiare per ottenere una
configurazione ottimale degli scambiatori analizzati.
• È stata programmata la campagna sperimentale da svolgersi presso il laboratorio
di Ingegneria Industriale UNIPR e presso lo stabilimento MBS a Treviso.
• Messa a punto del circuito di test e conduzione campagna sperimentale
Ottimizzazione scambiatori di calore
Impianto presso laboratorio UNIPR stabilimento MBS

27. NPFP 27
Risultati
Ottimizzazione scambiatori di calore
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Re
0
20
40
60
80
100
120
Passo=13 mm Profondità=0.8mm
Passo=18 mm Profondità=0.8mm
Passo=29 mm Profondità=0.8mm
Dittus-Boelter Liscio
correlazione proposta
103
104
Re
10-2
10-1
Passo=13 mm Profondità=0.8mm
Passo=18 mm Profondità=0.8mm
Passo=29 mm Profondità=0.8mm
Correlazione proposta
tubo liscio
coefficiente di scambio termico
fattore di attrito

28. NPFP 28
EMULSIONE CON
PARTICELLE
GROSSOLANE
EMULSIONE CON
PARTICELLE FINI
Bassa Pressione o
Pressione Atmosferica
Alta Pressione
(≈ 15 Mpa)
Ottimizzazione omogeneizzazione
anello d’impatto
anello di passaggio
testina d’urto
Criticità del processo:
• consumo energetico
elevato
• imperfetta replicabilità
del prodotto in uscita
• difficoltà di regolazione

29. NPFP 29
Efficienza di omogeneizzazione
La zona caratterizzata da maggiore turbolenza (ossia elevato Tasso di dissipazione
dell’energia cinetica ε (m2/s3) e del Gradiente di velocità G (1/s)) si estende dall’ingresso
del meato fino alla «camera» che si forma fra anello e testina d’impatto a valle del meato.
Dettaglio del Tasso di dissipazione di energia
cinetica turbolenta ε (m2/s3)
Dettaglio del Gradiente di velocità G (1/s)
Ottimizzazione omogeneizzazione

30. NPFP 30
Breakup model- MUSIG
• E’ stato applicato un modello di rottura per particelle liquide disperse in un
emulsione turbolenta presente all’interno del software Ansys-CFX . Applicando tale
modello di rottura è possibile ottenere la distribuzione di particelle in uscita
omogeneizzate dai fenomeni di turbolenza.
Ottimizzazione omogeneizzazione
0.0%
10.0%
20.0%
30.0%
40.0%
50.0%
60.0%
70.0%
80.0%
90.0%
100.0%
0 1 2 3 4 5
Frazionedivolume
Diametro particelle (μm)
Diametri particelle ingresso vs. uscita
Diametri_INPUT
DIAMETRI_OUTPUT_MUSIG

31. NPFP 31
Controllo automazione basato sulle
caratteristiche del prodotto processato

32. NPFP 32
Grazie per l’attenzione !
www.npfp.it