Energia nos Transportes - Autenticação · Tipos de Sistema Motor (gerador de potência) Turbinas...

Energia nos TransportesFerrovia

Gonçalo Gonçalves

([email protected])

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


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



• 1890 – Electric Locomotive No. 1 – “Tube” (UK)

• Tipo: B

• Alimentação: terceiro carril, 200 V DC?

• Potência: 2 x 50 CV

• Peso: 12,000 kg



EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIAElectrificação

• 1925 – Alco / General Electric / Ingersoll-Rand (US)

• Bitola: 1435mm

• Tipo: B+B

• Potência: 300 CV (Motor Diesel)

• Peso: 60,000 kg


• 1949 – GM EMD F7 (US)

• Bitola: 1435mm

• Tipo: B+B


• Peso: 104,326 kg

• Velocidade: 164/104 km/h


EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIADiesel

• 1981 – TGV (França)

• Bitola: 1435mm

• Tipo: 1M + 8P + 1M


• 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


• 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!!!

Tipos de Material RolanteTerminologia

• Bitola: distância entre os carris

• Bogie – estrutura que suporta a locomotiva e onde estão fixos os eixos e os motores

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)


• Alimentação (eléctricas)

– AC ou DC

– Voltagem

– Frequência (rede)

• Peso

– Em ordem de marcha (inclui combustível)

– Automotoras

• Tara

• Carga máxima


• 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


• 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


• Esforço de tracção: 25,600 kgf



• Eléctricas


• Eléctricas

• 1993 – Siemens LE 5600 (CP)

• Bitola: 1668mm

• Tipo: Bo’ Bo’

• Potência: 7600 CV (rodas)

• Alimentação: 25,000V, 50Hz

• Peso: 87,300 kg




Alimentação - Terceiro carril

• Normalmente DC: 750 - 1500V

• Metropolitano (Lisboa)

• Comboios no Reino Unido


Alimentação - Catenárias

• DC: até 3000V

• AC: 15,000-25,000V; 50-60Hz

• O padrão na Europa


• Turbinas

• 2002 – Bombardier

• Bitola: 1435mm

• Tipo: Bo’ Bo’

• Potência:

•5000 CV (turbina)

•4400 CV (rodas)

• Peso: 90,750 kg




• Diesel- mecânicas

TIPOS DE MATERIAL ROLANTEManobras

• 1950 – Class 03 BR Shunter

• Bitola: 1435mm

• Tipo: 0-6-0 ou D


• Peso: 31,000 kg



• Diesel-mecânicas


• Diesel-hidráulicas


• 1996 – DMS/Voith (Dinamarca)

• Bitola: 1435mm

• Tipo: B

• Potência: 435 CV (motor Diesel)

• Peso: 40,000 kg


• Esforço de tracção: 8.000 kgf



• 1952 – BR Class 08

• Bitola: 1435mm

• Tipo: C

• Potência: 350 CV (motor Diesel)

• Peso: 50,800 kg






• Alstom/Voith

• Bitola: 1435mm

• Tipo: 1A - A1

• Potência: 2 x 350 CV (motor Diesel)

• Peso: 47,000 kg



TIPOS DE MATERIAL ROLANTEAutomotoras

• 1993 – UQE 2300 (CP)

• Bitola: 1668mm

• Tipo: Bo’+Bo’+2’2’+2’2’+Bo’+Bo’



• Peso: 180,000 kg



• Eléctricas


• 1999 – Siemens / Fiat Ferroviaria

• Bitola: 1668mm

• Tipo: 1A+A1+1A+A1+2’+2’+2’+2’+1A+A1+1A+A1



• Peso: 298,300 kg



• Eléctricas (Alta velocidade)


TIPOS DE MATERIAL ROLANTEObras/Manutenção

• Passageiros

TIPOS DE MATERIAL ROLANTEMaterial Rebocado

• Carga

Granel - rações Automóveis


• Carga

Contentores Granel - Cimento


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


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 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


Média/Alta velocidade


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

CONSUMOS E EMISSÕESMercadorias

CONSUMOS E EMISSÕESMédia e alta velocidades

Potências, Consumos e EmissõesE a produção de electricidade?

Energia nos TransportesNavios

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

Motor Sulzer: potência máxima medida acima de 75000 kW

potência máxima contínua de 67000 kW

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

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

Hélices de passo controlável

(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

Propulsores a jacto de água

Sistema rotativo de tubeira e

hélice para melhor

manobrabilidade

Propulsores Laterais

(A) Monocascos

Tipos de Navios Rápidos

(B) Catamarans

(C) Navio de Efeito de Superfície (SES)

(D) Catamaran e monocasco com foils

Potência

específica em

função da

velocidade para

diversos tipos de

veículos

(1 HP = 0.746 kW)

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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