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“Transportes Ferroviários”
2008
ENERGIA NOS TRANSPORTES
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
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Evolução dos transporteMercadorias 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 transporteMobilidade – Aviões e automóveis
• Necessidade de liberdade e transporte individual →→→→ automóvel
• Maior rapidez nas deslocações a grandes distâncias →→→→ avião
Ford T 1909
Volkswagen 1939
Handley Page HP 42 1930
De Havilland Comet 1951
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ConcorrênciaPassageiros – Curta distância
(D<50Km)• Automóvel
– Mais versátil– Congestionamentos / Estacionamento– Poluição?– Custo?
• Autocarro– Sem limitações de rede– Barato – Baixa velocidade comercial
• Navio– Lento– Depende de condições naturais
• Motociclo– Muito ágil– Só dá para transporte individual
ConcorrênciaPassageiros – Média distância
(50Km<D<300Km)
• Automóvel– Conforto ↑ (de origem ao destino num só veículo)– Custo?
• Autocarro– Maior cobertura
– Conforto ↓
• Avião– Rapidez ??– Custo ↓ ↓
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ConcorrênciaPassageiros – Longa distância
(D>300Km)
• Navio– Exclusivamente para turismo
• Avião– Velocidade
– Custo ↓ ↓
ConcorrênciaMercadorias
• Rodoviário– Versatilidade– Da origem ao destino num só modo
• Navio– Grande capacidade de carga– Baixa velocidade
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Evolução da TecnologiaTracção animal
Evolução da TecnologiaVapor
• 1829 - Rocket
• George Stephenson
• Bitola: 1435mm
• Tipo: 0-2-2
• Pressão: 3.45 bar
• Peso: 4,318 kg
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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 TecnologiaElectrificação
• 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
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Evolução da TecnologiaDiesel
• 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 TecnologiaAlta velocidade
• 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)
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Evolução da TecnologiaNecessidades do séc. XXI
Mais Velocidade
Maglev – 500 km/h
Melhor Integração
Estações
Multimodais
Parte III – Infra-Estruturas Ferroviárias
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A ViaCarris
• Séc. XVII
• Reino Unido
• Madeira
• Usado em minas
A ViaCarris
• Séc. XIX
• Reino Unido
• Usado em minas
• Carril metálico assente em pedras
• Séc. XIX
• Reino Unido
• Usado em minas
• Carril metálico assente em travessas
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A ViaCarris
• Carril metálico
• Travessas de madeira
• União rebitada/aparafusada
A ViaCarris
• Carril contínuo soldado
• Travessa de cimento/madeira
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Rede Ferroviária Nacional
Evolução Histórica
Em 1856
Até 1865
Até 1880
Até 1900
Até 1910
Até 1930
Depois de 1930
Rede Ferroviária Nacional
Situação Actual
PendularVméd=102.3km/h
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Rede Ferroviária Nacional
Situação Actual
IntercidadesVméd=89.3km/h
Rede Ferroviária Nacional
Situação Actual
Inter-RegionalVméd=71.9km/h
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Rede Ferroviária Nacional
Situação Actual
RegionalVméd=55.6km/h
Rede Ferroviária Nacional
Situação Actual
Completa
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Rede ferroviária NacionalExtensão e comparação
Rede ferroviária NacionalProjectos para o futuro
• Modernização da Linha do Norte– permitir velocidades de 220 km/h em toda a extensão
– permitir cargas por eixo de 22.5 ton.
• Modernização Linha da Beira Baixa– Electrificação– Aumentar velocidades médias para 90 km/h
• RAVE - Rede Ferroviária de Alta Velocidade– Construção de via que permita velocidades superiores a 250 km/h– Ligação a Espanha
– O percurso ainda não está decidido (T deitado?, Π deitado?)
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Parte IV – Material Circulante
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!!!
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Tipos de Material RolanteTerminologia
• Bitola: distância entre os carris
Tipos de Material RolanteTerminologia
• Tipo: Arranjo de eixos em bogies 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 “ ’ ”
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Tipos de Material RolanteTerminologia
• Bogie – estrutura que suporta a locomotiva e onde estão fixos os eixos e os motores
Tipos de Material RolanteTerminologia
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Tipos de Material RolanteTerminologia
• 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
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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 RolanteLocomotivas
• Diesel-eléctricas– As mais difundidas, fazem todos o tipo de serviços
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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
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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
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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
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Tipos de Material RolanteManobras
• Diesel-mecânicas
Tipos de Material RolanteManobras
• 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
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Tipos de Material RolanteManobras
• Diesel-hidráulicas
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
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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 RolanteAutomotoras
• 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
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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)
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Tipos de Material RolanteObras / Manutenção
Tipos de Material RolanteMaterial Rebocado
• Passageiros
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Tipos de Material RolanteMaterial Rebocado
• Carga
Granel - rações Automóveis
Tipos de Material RolanteMaterial Rebocado
• Carga
Contentores Granel - Cimento
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Parte V – CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS
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
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Características DinâmicasResistência ao avanço
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) / 100Equação de Davis, os coeficientes dependem da aplicação
Resistência total
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Características DinâmicasResistência ao avanço
Exemplo, comboios de mercadorias (US)
Rt = (1.3wn+29n) + bwnV + CAV2 + 20wn*G
Rt = força resistente (em libras...)w = peso por eixo (em tons: 1 ton=907kg)n = n.º de eixos
V = velocidade (em mph)b = coeficiente de fricção: 0.03 locomotivas; 0.045 vagõesC = Coeficiente de resistência aerodinâmica: 0.0017 locomotivas
aerodinâmicas; 0.0025 locomotivas; 0.0005 vagões de carga; 0.00034 carruagens de passageiros
A = Área frontal (pés quadrados): 120 locomotivas, 90 vagões de carga, 120 carruagens de passageiros
G = Gradiente em %
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 baixasIntercidades~0,5m/s2
->Pequenos declivesNormalmente inferiores a 1% (2.5% em zonas montanhosas)
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Características DinâmicasAcelerações e desacelerações Típicas
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
Média/Alta velocidade
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Características DinâmicasCargas por eixo
Limitados pelas infra-estruturas da linha e tipo de serviço:
– Alta velocidade < 17ton
– Carga < 30ton
– EMU/DMU~20ton
Parte VI – Desempenho Energético e Ambiental
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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
Consumos e EmissõesUrbanos e Suburbanos
300483217.9Suburbano
202381794.8Metro
62
por 1000 lugar.km
3391617Metro ligeiro
por 1000 passageiro.km
Por horaPor kmkwh
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Consumos e EmissõesMédia e Alta Velocidade
Potências, Consumos e EmissõesE a produção de electricidade?