Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Multifisica

Applicazione del software di simulazione nell’industria dei cavi

Con la collaborazione di: COMSOL srl

Nel 2010 il gruppo di Ricerca & Sviluppo di Prysmian ha iniziato a cambiare il modo di progettare e testare nuovi cavi e sistemi, attraverso l’uso sistematico di un software di simulazione multifisica.

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L’utilizzo del software di smulazione sta già producendo i suoi frutti, in termini di nuove entrate e aumento dei profitti. Attraverso l’uso sistematico di un software di simulazione multifisica, il gruppo è infatti in grado di ottimizzare i progetti di cavi e sistemi per un’ampia varietà di condizioni ambientali “sfavorevoli”.

 

Oltre le approssimazioni,

verso la simulazione termica

Un aspetto importante da considerare quando si progetta un sistema di trasmissione di potenza è la sua capacità di trasportare la quantità di corrente stabilita in regime stazionario senza superare la temperatura operativa massima. 

Per affrontare il problema deve essere costruito un modello termico dettagliato del sistema, che tenga in considerazione molte variabili: la struttura dei cavi e le sorgenti interne di perdite elettriche (Figura 1); la geometria dell’installazione; l’ambiente di installazione (per esempio suolo, acqua, aria con convezione forzata o naturale); la temperatura ambientale; eventuali carichi esterni dovuti all’irraggiamento solare e la prossimità del sistema ad altre infrastrutture.

Figure 1: Sezione trasversale della distribuzione della temperatura in un cavo ombelicale a doppia armatura per applicazioni Oil&Gas.

Prima di usare la simulazione multifisica, Prysmian e altre aziende nel settore del trasporto di energia utilizzavano formule o metodi di calcolo ricavati da standard internazionali. Tali standard funzionano piuttosto bene per quelle installazioni in cui i cavi si trovano in una condizione termica ideale (tipicamente sottoterra), ma al giorno d’oggi è sempre più comune che tali sistemi attraversino oppure siano installati in zone caratterizzate da un cosiddetto “ambiente termico sfavorevole” in cui, per esempio, il nuovo sistema di cavi si trova nelle vicinanze di infrastrutture pre-esistenti, come nel caso di fasci di cavi che attraversano il percorso del cavo.

Prysmian ha scelto il software di simulazione COMSOL Multiphysics® per costruire modelli che combinano la struttura di ogni cavo, quella del sistema di trasmissione di potenza, le condizioni di carico e le condizioni dell’ambiente esterno per ottenere simulazioni realistiche e affidabili (Figura 2).

 

Figura 2: Usando COMSOL Multiphysics, Prysmian ha combinato le analisi termiche e fluidodinamiche (CFD) di sistemi di cavi ad alta tensione posizionati in un tunnel orizzontale con sola ventilazione naturale.

“COMSOL è in grado di risolvere questo tipo di problemi perché ci consente di costruire un modello parametrico per ottimizzare la geometria e la posa dei cavi, potendo includere le fisiche necessarie per rappresentare la convezione nell’aria,” spiega Massimo Bechis, Specialista di Modellazione e Simulazione in Prysmian. “Possiamo effettuare analisi transitorie dettagliate per rappresentare le variazioni giornaliere della radiazione solare e le condizioni della temperatura ambientale. È possibile inoltre rappresentare i cambiamenti di carico della corrente invece di considerare come costanti le condizioni operative. Questo ci consente di soddisfare la necessità di caratterizzare le condizioni transitorie dovute ai cambiamenti di carico. Quindi la simulazione multifisica risolve davvero questo tipo di problemi, che prima era molto difficile o addirittura impossibile gestire.”

 

Ottimizzare il processo per mantenere la perfezione

Le simulazioni numeriche hanno già migliorato il modo in cui Bechis e i suoi colleghi progettano alcuni dei prodotti più tecnologicamente avanzati di Prysmian. Per esempio, grazie a esse possono essere condotti studi parametrici per ottimizzare le dimensioni geometriche o il posizionamento dei componenti in cavi compositi che possono essere costituiti da conduttori di potenza, cavi per la trasmissione dei segnali e tubi per il trasporto di fluidi — tutti nella stessa struttura. Bechis si aspetta che la progressiva implementazione di queste metodologie porterà  presto anche un miglioramento nei processi di fabbricazione.

Prima di introdurre la simulazione multifisica, molti studi venivano effettuati usando strumenti matematici sviluppati internamente all’azienda con l’ausilio di prodotti commerciali come Microsoft® Excel® o Visual Basic® e basati su modelli semplificati. Grazie al know-how acquisito con lo sviluppo interno dei codici, con la transizione ai nuovi strumenti Bechis è in grado di modellare questo tipo di sistemi con un livello di dettaglio molto più elevato e con un’accuratezza molto superiore. Bechis afferma che con COMSOL Multiphysics l’azienda ha fatto un grande passo avanti e ha migliorato il livello dei servizi che può fornire sia ai progettisti sia ai clienti.

“Ora riceviamo molte richieste dai colleghi perché, per esempio, sanno che COMSOL può aiutarli ad analizzare e risolvere molti problemi di natura termica, elettromagnetica e strutturale,” racconta Bechis. 

È vero che prima di usare degli strumenti di simulazione Prysmian non ha mai avuto un malfunzionamento nei cavi. Ma per raggiungere tale livello di perfezione, in ogni cavo e sistema veniva lasciato un ampio margine di progettazione a causa delle procedure di calcolo adottate.

“Ora siamo in grado di ottimizzare, tra le altre cose, la struttura dei nostri cavi, soddisfacendo sempre le specifiche tecniche,” afferma Bechis. “Possiamo anche spiegare per quale motivo usiamo una certa quantità di materiale in un determinato strato e mostrare come siamo giunti alle nostre decisioni basandoci sul modello.”

Con la simulazione è possibile effettuare l’analisi di un test di impatto su un cavo a medio voltaggio (Figura 3). La capacità di simulare al computer questo tipo di test permette di ottimizzare lo spessore e il tipo di materiali usati nel costruire gli strati esterni dei cavi.

 

Figura 3: Simulazione di un test di impatto su un cavo di media tensione.

“Non abbiamo bisogno di effettuare molti testi in laboratorio,” afferma Bechis. “Invece, possiamo fare molti test virtuali sul nostro computer. Poi, quando ci sentiamo sicuri di aver trovato il progetto ottimale per il nostro cavo, possiamo fabbricarlo e condurre i test sperimentali di routine nel nostro laboratorio.”

I test sperimentali su prototipi reali vengono ancora effettuati, ma i prototipi sono molto più vicini al progetto reale e il tempo complessivo di sviluppo è quindi considerevolmente ridotto. Questi test servono a verificare il comportamento meccanico dei cavi e dei sistemi, in modo che il team di Prysmian sia sicuro di poter fare affidamento sui suoi modelli.

 

Aumentare i profitti e generare   nuove entrate

Uno dei più chiari indici del successo dei nuovi strumenti di modellazione è che Bechis e i suoi colleghi sono riusciti a rispondere alle richieste di molti clienti, che chiedono specificatamente di affiancare la simulazione alle procedure standard normalmente usate.

“Ora siamo in grado di offrire un servizio migliore,” afferma Bechis. “Stiamo risparmiando denaro. Abbiamo migliorato le procedure per progettare i nostri cavi e i sistemi di trasmissione di potenza. E abbiamo un altro potente strumento per rispondere alle richieste dei nostri clienti.”

 
 

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