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EVOLUÇÃO DOS TRANSPORTESInfra-estruturas NAVIOS
Navio de carga grego séc. II A.C.
Nau portuguesa séc. XV Great Eastern séc. XIX
• Ausência de infra-estruturas
construídas pelo homem
• Inicialmente à vela, o vapor
surge no séc. XIX
• Transporte de carga e
passageiros
EVOLUÇÃO DOS TRANSPORTES
Mercadorias Terrestres COMBOIOS
• Reino Unido século XIX – revolução industrial;
• Invenção da máquina a vapor (final do séc. XVIII), o fim da dependência da natureza para a geração de potência;
• O comboio torna-se o meio preferido para transporte de carga (carvão) e passageiros
EVOLUÇÃO DOS TRANSPORTES
Mobilidade AVIÕES E AUTOMÓVEIS
Necessidade de liberdade e transporte individual
AUTOMÓVEL
Ford T 1909
Volkswagen 1939
Handley Page HP 42 1930
De Havilland Comet 1951
Maior rapidez nas deslocações a grandes distâncias
AVIÃO
• 1829 - Rocket
•George
Stephenson
•Bitola: 1435mm
• Tipo: 0-2-2
•Pressão: 3.45 bar
•Peso: 4,318 kg
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIAVapor
• 1935 - A4 Mallard
• Bitola: 1435mm
• Tipo: 4-6-2
• Pressão: 17.2 bar
• Peso: 169,680 kg
• Velocidade: 202.8 km/h
• Esforço de tracção: 15,175 kg
• 1941 – UP Big Boy
• Bitola: 1435mm
• Tipo: 4-8-8-4
• Pressão: 20.7 bar
• Peso: 372,864 kg
• Velocidade: 129 km/h
• Esforço de tracção: 61,405 kg
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIAVapor
• 1934 – GG1 (US)
• Bitola: 1435mm
• Tipo: 2-C+C-2 (4-6-6-4)
• Alimentação: 11000 V, 25Hz
• Potência: 4620 CV
• Peso: 215,456 kg
• Velocidade: 160 km/h
• Esforço de tracção: 29,710 kg
• 1890 – Electric Locomotive No. 1 – “Tube” (UK)
• Tipo: B
• Alimentação: terceiro carril, 200 V DC?
• Potência: 2 x 50 CV
• Peso: 12,000 kg
• Esforço de tracção: 1,360 kg
• Velocidade: 40 km/h
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIAElectrificação
• 1925 – Alco / General Electric / Ingersoll-Rand (US)
• Bitola: 1435mm
• Tipo: B+B
• Potência: 300 CV (Motor Diesel)
• Peso: 60,000 kg
• Velocidade: 48 km/h
• 1949 – GM EMD F7 (US)
• Bitola: 1435mm
• Tipo: B+B
• Potência: 1500 CV (Motor Diesel)
• Peso: 104,326 kg
• Velocidade: 164/104 km/h
• Esforço de tracção: 26,081 kg
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIADiesel
• 1981 – TGV (França)
• Bitola: 1435mm
• Tipo: 1M + 8P + 1M
• Alimentação: 25000 V, 50Hz
• Potência: 2 x 5900 CV
• Peso: 368,000 kg (motoras + carruagens)
• Velocidade: 300 km/h (Operação)
• Passageiros: 377
• 1964 – Comboio Bala (Japão)
• Bitola: 1435mm
• Tipo: Automotora
• Alimentação: 25000 V, 60Hz
• Potência: 4 Motores de 185 KW por carruagem
• Peso: 16 x 59 = 934,000 kg
• Velocidade: 200/220 km/h
• Passageiros: 1337 (16 carruagens: 132 + 1205)
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIAAlta velocidade
Mais Velocidade
Maglev – 500 km/h
Melhor Integração
Estações
Multimodais
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIANecessidades do séc. XXI
Tipos de Material Rolante
• Tipo de serviço
– Locomotivas
– Manobras (shunter)
– Automotoras
– Obras / Manutenção
– Carruagens
• Fonte de energia
– Eléctricas (rede)
– Diesel
– Turbina
– Vapor
• Tipo de Tracção
– Eléctrica
– Mecânica
– Hidráulica
• Vários tipos de combinações possíveis!!!
• Bogie – estrutura que suporta a locomotiva e onde estão fixos os eixos e os motores
TIPOS DE MATERIAL ROLANTETerminologia
TIPOS DE MATERIAL ROLANTETerminologia
• Tipo: Arranjo de eixos em bogies (trucks) e número de bogies
– Eixos motores – letras: A B C
– Eixos não motores – números 1 2 3
– Motores independentes para cada eixo –adiciona um “o”
– Bogies independentes do corpo da locomotiva – adiciona uma plica “ ’ ”
• Potência
– Motor diesel/turbina
– Rodas (ou motores eléctricos)
TIPOS DE MATERIAL ROLANTETerminologia
• Alimentação (eléctricas)
– AC ou DC
– Voltagem
– Frequência (rede)
• Peso
– Em ordem de marcha (inclui combustível)
– Automotoras
• Tara
• Carga máxima
TIPOS DE MATERIAL ROLANTETerminologia
• Velocidade
– Máxima para a relação final de transmissão usada
– Limitada pelo tipo de linha e operação
• Esforço de tracção
– Força disponível para puxar o comboio
• Arranque
• Máximo contínuo
• À velocidade máxima
TIPOS DE MATERIAL ROLANTETerminologia
• Diesel-eléctricas
– As mais difundidas, fazem todos o tipo de serviços
TIPOS DE MATERIAL ROLANTELocomotivas
• 1981 – Alstom CP 1930
• Bitola: 1668mm
• Tipo: Co’ Co’
• Potência:
•3000 CV (motor diesel)
•2260 CV (rodas)
• Peso: 116,500 kg
• Velocidade: 120 km/h
• Esforço de tracção: 25,600 kgf
• Diesel-eléctricas
TIPOS DE MATERIAL ROLANTELocomotivas
• Eléctricas
• 1993 – Siemens LE 5600 (CP)
• Bitola: 1668mm
• Tipo: Bo’ Bo’
• Potência: 7600 CV (rodas)
• Alimentação: 25,000V, 50Hz
• Peso: 87,300 kg
• Velocidade: 220 km/h
• Esforço de tracção: 25,493 kgf
TIPOS DE MATERIAL ROLANTELocomotivas
Alimentação - Terceiro carril
• Normalmente DC: 750 - 1500V
• Metropolitano (Lisboa)
• Comboios no Reino Unido
TIPOS DE MATERIAL ROLANTELocomotivas
Alimentação - Catenárias
• DC: até 3000V
• AC: 15,000-25,000V; 50-60Hz
• O padrão na Europa
TIPOS DE MATERIAL ROLANTELocomotivas
• Turbinas
• 2002 – Bombardier
• Bitola: 1435mm
• Tipo: Bo’ Bo’
• Potência:
•5000 CV (turbina)
•4400 CV (rodas)
• Peso: 90,750 kg
• Velocidade: 240 km/h
• Esforço de tracção: 25,600 kgf
TIPOS DE MATERIAL ROLANTELocomotivas
• 1950 – Class 03 BR Shunter
• Bitola: 1435mm
• Tipo: 0-6-0 ou D
• Potência: 204 CV (Motor Diesel)
• Peso: 31,000 kg
• Velocidade: 45 km/h
• Esforço de tracção: 5,035 kgf
• Diesel-mecânicas
TIPOS DE MATERIAL ROLANTEManobras
• 1996 – DMS/Voith (Dinamarca)
• Bitola: 1435mm
• Tipo: B
• Potência: 435 CV (motor Diesel)
• Peso: 40,000 kg
• Velocidade: 70 km/h
• Esforço de tracção: 8.000 kgf
• Diesel-hidráulicas
TIPOS DE MATERIAL ROLANTEManobras
• 1952 – BR Class 08
• Bitola: 1435mm
• Tipo: C
• Potência: 350 CV (motor Diesel)
• Peso: 50,800 kg
• Velocidade: 24 km/h
• Esforço de tracção: 15,876 kgf
• Diesel-eléctricas
TIPOS DE MATERIAL ROLANTEManobras
• Diesel-hidráulicas
• Alstom/Voith
• Bitola: 1435mm
• Tipo: 1A - A1
• Potência: 2 x 350 CV (motor Diesel)
• Peso: 47,000 kg
• Velocidade: 120 km/h
• Esforço de tracção: 6,000 kgf
TIPOS DE MATERIAL ROLANTEAutomotoras
• 1993 – UQE 2300 (CP)
• Bitola: 1668mm
• Tipo: Bo’+Bo’+2’2’+2’2’+Bo’+Bo’
• Potência: 4200 CV (rodas)
• Alimentação: 25,000V, 50Hz
• Peso: 180,000 kg
• Velocidade: 120 km/h
• Esforço de tracção: 17,590 kgf
• Eléctricas
TIPOS DE MATERIAL ROLANTEAutomotoras
• 1999 – Siemens / Fiat Ferroviaria
• Bitola: 1668mm
• Tipo: 1A+A1+1A+A1+2’+2’+2’+2’+1A+A1+1A+A1
• Potência: 5400 CV (rodas)
• Alimentação: 25,000V, 50Hz
• Peso: 298,300 kg
• Velocidade: 220 km/h
• Esforço de tracção: 21,414 kgf
• Eléctricas (Alta velocidade)
TIPOS DE MATERIAL ROLANTEAutomotoras
CARACTERÍSTICAS DINÂMICASResistência ao avanço
1. Fricção (independente da velocidade) entre roda e carril, rolamentos, etc. Depende do peso, forma e tipo de superfície
2. Perdas função da velocidade (fricção na flange, movimento de lacete)
R = C x Peso
3. Resistência do ar, varia com o quadrado da velocidade. Depende da área, forma, comprimento do veículo
4. Pendente, subir ou descer uma encosta, independente da velocidade
R=(Peso x G) / 100
CARACTERÍSTICAS DINÂMICASResistência ao avanço
5. Resistência de curva (contacto das flanges com o interior do carril): 0.36 kgf por tonelada por grau de curvatura.
Carro de 100 ton., curva de 2º: F=72 kgf
R = K1 + K2 x V + K3 x V2 + (Peso x G) / 100
Equação de Davis, os coeficientes dependem da aplicação
Resistencia total
CARACTERÍSTICAS DINÂMICASResistência ao avanço
CARACTERÍSTICAS DINÂMICASAcelerações e desacelerações Típicas
• Coeficiente de fricção roda-estrada: 0,75
• Coeficiente de fricção roda carril (metal-metal): 0,25
->Taxas de aceleração muito mais baixas
Intercidades~0,5m/s2
->Pequenos declives
Normalmente inferiores a 1% (2.5% em zonas montanhosas)
Baixa velocidade
• Comboio suburbano
– Vmáx~120km/h; Acelerações~0,6m/s2; Declives<3.5%; Vméd~48km/h
• Metro (subterrâneo)
– Vmáx~100km/h; Acelerações~1,2m/s2; Declives<4%; Vméd~36km/h
• Metro ligeiro de superfície
– Vmáx~80km/h; Acelerações~1,3m/s2; Declives<5%; Vméd~20km/h
CARACTERÍSTICAS DINÂMICASAcelerações e desacelerações Típicas
CARACTERÍSTICAS DINÂMICASCargas por eixo
Limitados pelas infra-estruturas da linha e tipo de serviço:
– Alta velocidade < 17ton
– Carga < 30ton
– EMU/DMU~20ton
CONSUMOS E EMISSÕES
• Desempenho em situações reais
• Efeito global do uso de combustíveis
• Emissões atmosféricas
• Em função da taxa de ocupação
– kWh/km
– kWh/km.lugar
– kWh/km.passageiro
– kWh/ton.km
kwh Por km Por hora por 1000
lugar.km
por 1000
passageiro.km
Suburbano 7.9 321 48 300
Metro 4.8 179 38 202
Metro ligeiro 7 161 62 339
CONSUMOS E EMISSÕESUrbanos e Suburbanos
Objectivo do Navio
Cada navio tem uma missão, ou função, e é concebido,
construído, equipado e de modo específico e bem
caracterizado. Exemplos de missões:
• Transporte de crude, cereais, contentores, pessoas, etc.
• Pesca e transporte do pescado
• Trabalhos de reboque e assistência a outros navios
• Prospecção e extracção de crude
• Etc.
PRINCIPAIS SISTEMAS DE BORDO
Sistema Propulsor Principal
Motor propulsor, linha de veios, caixa redutora / inversora, propulsor
Sistemas Auxiliares do Navio
Planta eléctrica, sistema de vapor, tratamento e movimentação de combustível, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado, sistemas de combate a incêndios, esgoto e lastro, dessalinizador
Motores Auxiliares
Máquina do leme, propulsores de proa e popa, movimentação do ferro (âncora), sistemas para amarração, sistemas estabilizadores de movimentos do navio
Sistema de Carga
Sistema de bombas e tubagem para trasfega de carga líquida, sistema de gás inerte, gruas, etc.
Sistemas de Comunicação e Navegação
Comunicações interiores, comunicações exteriores, sistemas de navegação
Tipos de Sistema Motor (gerador de potência)
Turbinas a vapor (ou mesmo motores alternativos a vapor)
Motores diesel: quase todos os navios comerciais de pequenas a grandes
dimensões)
Turbinas a gás: principalmente aplicações militares, também alguns navios
rápidos
Sistemas com motores eléctricos (geradores, mais motores eléctricos): navios de
passageiros, sistemas de propulsão especiais, quebra-gelos
Sistemas combinados: - diesel e turbina a gás (CODAG)
- turbinas a gás e turbina a vapor (COGAS)
- turbina a gás e turbina a gás (COGAG)
- diesel ou turbina a gás (CODOG)
- turbina a gás ou turbina a gás (COGOG)
- nuclear e turbina a vapor (CONAS)
Motores Diesel
• Classificação dos motores Diesel : baixa velocidade (< 300
rpm), média velocidade e alta velocidade (> 1200 rpm).
• Os navios de comércio usam quase exclusivamente motores
Diesel
Os motores diesel de baixa velocidade:
Navios de grandes dimensões (navios tanque, navios graneleiros, …)
Ligam-se directamente ao veio do hélice
São directamente reversíveis
São mais volumosos, mais pesados e mais caros
Têm menores custos de consumos, operação e manutenção
Boa combustão com óleos pesado
Os motores diesel de média e alta velocidade:
Utilizam-se em navios de menores dimensões
Os diesel de média vel. utilizam-se tb. em navios grandes com limitações de espaço na
casa das máquinas (ex.: navios de passageiros, RO-ROs)
quase sempre adaptações de motores desenvolvidos para aplicações em terra
Normalmente usam uma caixa redutora ou outro meio de redução de rpm
São menos volumosos e mais leves que os diesel lentos
Comercialmente disponíveis unidades de 6 a 20 cilindros em linha ou em V
Turbinas a gás
Componentes básicos:
compressor, câmara de combustão e turbina
São sistemas simples, leves e pouco volumosos
consumo de combustível bastante superior ao dos motores diesel
Como combustível gás destilado ou “diesel oil”
Possível iniciar movimento e atingir velocidade máxima rapidamente
muito fiáveis e que requerem pouco pessoal para operar
velocidades variam entre 3600 rpm (navios grandes) e 25000 rpm (embarcações pequenas),
é necessário usar caixas redutoras
não são reversíveis. A solução é usar uma caixa inversora, ou hélice com passo variável
Turbina a gás para navios – modelo UGT 110 000
Potência: 114 500 kW (1 HP = 0.746 kW)
Eficiência: 36%
Consumo esp. gás: 0.280 m3/kW.h
Peso: 50 Ton
Saída de gases: 365 kg/s
Tipos de Propulsores
(a) Hélice Convencional
É o tipo de propulsor mais
utilizado em quase todo o tipo de
navios
(c) Propulsores a jacto
Consiste num impulsor, ou bomba, dentro do navio junto ao fundo,
que “suga” a água de fora, acelera-a, e expulsa-a pela popa a alta
velocidade
O princípio é semelhante ao do hélice, mas as partes móveis estão
dentro do navio
A eficiência é significativamente inferior à dos hélices devido às
perdas na tomada de água e condutas
Outra desvantagem é a entrada de lixo no colector de água
tem vantagens para
operação em águas
pouco profundas
utilizado em
embarcações
rápidas
Análise de três sistemas alternativos baseados
em motores diesel lento, médio e rápido
Sistema A Sistema B Sistema C
Número de
motores 1 2 2
Ciclo
termodinâmico 2 tempos 2 tempos 4 tempos
r.p.m do motor 100 200 450
Caixa redutora
acopladora não redução 1:2 redução 1:4.5
Potência de cada
motor (kW) 21800 11200 11000
Número total de
cilindros 9 20 24
Potência por
cilindro (kW) 2422 1120 920
Volume
circunscrito (m3)
1628 1112 937
Peso (T) 1320 680 480
Consumo de Combustível
A figura apresenta o consumo específico de diferentes
sistemas propulsores em função da potência no veio
Consumos Específicos Típicos
Tipo de Instalação Consumo Específico [kg/kW.h]
1. Motores Diesel
Lentos (2 tempos) 0.170
Semi-rápidos (2 tempos) 0.180
Semi-rápidos (4 tempos) 0.200
Rápidos (4 tempos) 0.220
2. Instalações a Vapor (óleos)
Vapor não reaquecido, até 2 pré-aquecedores 0.280
Vapor não reaquecido, c/ 5 pré-aquecedores 0.260
Vapor reaquecido 0.240
3. Instalações a Vapor (carvão) 0.410
4. Turbinas a Gás
Ciclo não-regenerativo 0.340
Ciclo regenerativo 0.285
Ciclo STAG 0.250
5. Instalações Eléctricas
Diesel 0.250
Vapor (normal) 0.310
Turbo-Geradores 0.360
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
g/tkm
Consumo CO2
Rodovia
Ferrovia
TMCD
31.3 98.3
8.9 28.3
4.8 15.5
Indicadores de Consumo e Emissões de CO2
• Consumo específico e emissão de CO2 do TMCD são cerca de 7 vezes
inferiores aos do transporte rodoviário
• Estima-se que os custos do congestionamento na Europa atingirão 80
biliões de Euros por ano
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