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2025-03-11 15:57:02 Linda Carvalho: -/-
/dev/null .. Fluidos Criogénicos.md
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+ title: Fluidos Criogénicos
+ author:
+ - Linda Carvalho Cosendey
+ date: 2025-03-11
+ tags: #utilidades
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+ # Fluidos Criogénicos
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+ - **Autor:**
+ - Linda Carvalho Cosendey
+ - **Data:** 2025-03-11
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+ ## 1. Fluidos Criogênicos
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+ Os fluidos criogênicos são gases liquefeitos que são mantidos a baixas temperaturas, no estado líquido. De uma forma geral, estes líquidos apresentam pontos de ebulição abaixo de -150°C, às condições atmosféricas. Uma das grandes vantagens para a utilização deste tipo de fluidos é a possibilidade do seu transporte e armazenamento sob a forma de líquido, ao invés da utilização de tanques com paredes espessas de forma a transportá-los como gases de alta pressão.
+
+ Na Tabela 1, apresentam-se os tipos de fluidos criogênicos mais utilizados, bem como algumas das suas propriedades termofísicas [^1].
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+ _**Tabela 1.** Fluidos criogénicos mais comuns, e propriedades termofísicas dos mesmos_
+ ![Fluidos criogénicos mais comuns, e propriedades termofísicas dos mesmos](./image1.png)
+ Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Rocha e Mendes, 2024 [^6];
+ Rohstoffe, 2010 [^5].
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+ *Pressure of 0.101325 bar.
+ Source: Cryogenic Engineering, ed. B.A. Hands, Academic Press (1986).*
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+ Dos fluidos apresentados na Tabela 1, destacam-se o hélio e nitrogênio líquidos. O primeiro permite atingir as temperaturas mais baixas possíveis (-268.93°C), atendendo ao seu baixo ponto de ebulição, enquanto que o nitrogênio líquido é aquele mais utilizado a nível mundial, sendo comercializado globalmente.
+
+ ## Tipos de fluidos criogênicos [^2]
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+ Apesar das diferentes propriedades apresentadas pelos vários líquidos criogênicos existentes, é possível englobá-los em três categorias distintas:
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+ 1. **Gases Inertes:**
+ Os gases inertes não reagem quimicamente, nem queimam ou auxiliam a combustão. Exemplos desta categoria são o azoto, hélio, néon, árgon, entre outros.
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+ ### 2. Gases Inflamáveis:
+ Alguns fluidos criogênicos decompõem-se naturalmente, libertando gases que podem entrar em combustão com o ar, como o hidrogênio, metano ou gás natural liquefeito.
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+ ### 3. Oxigênio:
+ Apesar de não inflamáveis, existem gases que, quando em contacto com oxigênio líquido, entram em combustão ou dão origem a explosões. Considerando esta particularidade, é necessário separar este tipo de compostos dos restantes fluidos criogênicos, por questões de segurança e manuseamento/armazenamento.
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+
+ ## Formas de armazenamento
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+ 1. **Frascos de Dewar**
+ Constituídos por paredes duplas de aço inoxidável, entre as quais existe vácuo, sendo que desta forma não são pressurizados no momento de armazenamento. Exibem um bom isolamento térmico, o que diminui a taxa de evaporação do conteúdo. Apresentam ainda um topo flutuante, de modo a possibilitar o alívio de pressão aquando da formação de gases no interior. É possível modificar as especificações deste equipamento consoante o tipo de fluido a armazenar. No caso de utilização em laboratório, estes reservatórios apresentam menores dimensões, com o objetivo de um armazenamento temporário, sendo abertos para a atmosfera [^3].
+
+ 2. **Cilindros de líquidos**
+ São recipientes pressurizados (exclusivos para fluidos criogênicos). Possuem controladores de pressão associados a uma válvula que permite o alívio de pressão, quando necessário. Estes servem tanto para o armazenamento de líquidos como gases [^2].
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+
+ ## Sistemas de crio-refrigeração [^4]
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+ Os fluidos criogênicos são utilizados a nível industrial e laboratorial com o objetivo de se atingir uma gama de temperaturas muito baixa. Para tal, existem dois métodos para atingir essas temperaturas: sistemas passivos e sistemas ativos de crio-refrigeração, sendo estes últimos denominados por *cryocoolers*.
+
+ Apesar de ambos os sistemas permitirem atingir baixas temperaturas, apenas os sistemas passivos utilizam os fluidos criogênicos, descrevendo-se de seguida, de forma sucinta, os dois sistemas. Na Figura 1, é evidenciada a gama de temperaturas que é possível atingir com a utilização dos diversos fluidos criogênicos, no caso dos sistemas passivos de crio-refrigeração.
+ <hr><hr>
+ # Figura 1. Gama de temperatura comum para os diversos fluidos criogênicos utilizados [^4].
+
+ | Fluido Criogênico | Temperatura (K) |
+ |-------------------|-----------------|
+ | Hélio | 5.2 |
+ | Hidrogênio | 33.2 |
+ | Néon | 44.5 |
+ | Nitrogênio | 126.0 |
+ | Monóxido de Carbono | 133.8 |
+ | Argônio | 150.8 |
+ | Oxigênio | 154.0 |
+ | Metano | 190.0 |
+ | Dióxido de Carbono | 215.9 |
+ | Amônia | 240.5 |
+
+ **Legenda:**
+ - **Solid phase**: Fase sólida
+ - **Liquid phase**: Fase líquida
+ - **Critical point**: Ponto crítico
+ - **Boiling point (at 1 ATM)**: Ponto de ebulição (a 1 ATM)
+ - **Triple point**: Ponto triplo
+ - **Minimum solid temperature (at 0.10 torr)**: Temperatura mínima sólida (a 0.10 torr)
+
+ ---
+
+ Este tipo de sistemas encontra-se bem desenvolvido, devido à sua utilização em grande escala, permitindo a manutenção da temperatura em valores estáveis, sem estarem suscetíveis a perturbações externas (térmicas, vibracionais ou eletromagnéticas), apresentando ainda um consumo energético reduzido. No entanto, são sistemas com um tempo de vida limitado, requerendo o reabastecimento constante dos fluidos criogênicos.
+
+ Em situações em que a possibilidade de armazenamento e disponibilidade dos fluidos criogênicos é limitada, é preferível a utilização de refrigeradores mecânicos (*cryocoolers*), não havendo, deste modo, necessidade de reabastecimento ou armazenamento dos fluidos. Consoante as temperaturas pretendidas, pode-se utilizar diferentes tipos de *cryocoolers*, entre os quais os tipos **Stirling**, **Pulse Tube**, **Gifford McMahon (GM)** e **Joule-Thomson (JT)**. Quando se pretende atingir temperaturas inferiores a 30 K, utilizam-se dois ou mais estágios de crio-refrigeração acoplados, operando um deles a temperaturas superiores. É, ainda, conveniente utilizar sistemas híbridos quando se pretende atingir estas temperaturas, recorrendo a dois ou mais tipos de *cryocoolers*.
+
+ ## Riscos associados aos fluidos criogênicos [^2]
+
+ Tendo em conta as baixas temperaturas a que estes tipos de fluidos se encontram, é necessário atender aos riscos para a saúde humana a si associados. Assim, incorre-se no risco de frio extremo, de asfixia e de intoxicação.
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+ O risco de frio extremo está associado aos vapores frios e gases libertados pelos fluidos criogênicos, que podem causar efeitos na pele semelhantes à queimadura, podendo causar danos severos.
+ <hr><hr>
+ A libertação de gases por estes fluidos está também associada a riscos de asfixia. Uma vez que estes se encontram muito frios e apresentam uma densidade superior à do ar, não se dispersam com facilidade o que leva à sua acumulação na parte inferior de espaços fechados. Mesmo tratando-se de gases não tóxicos, podem causar asfixia por depleção do oxigênio existente em espaços confinados. A inalação prolongada destes gases pode ainda causar danos graves nos pulmões.
+
+ No caso da utilização de monóxido de carbono ou metano líquidos, existe ainda o risco de intoxicação por inalação, podendo levar à morte.
+
+ ## Aplicações dos fluidos criogênicos [^5]
+
+ Estes fluidos têm uma grande variedade de aplicações na física, química, biologia, medicina e na área da engenharia. É importante referir que existem muitos sistemas mecânicos e reacionais, que necessitam de fluidos de arrefecimento que atinjam temperaturas extremamente baixas, possibilitando um maior controlo das condições de operação e, assim, melhores desempenhos.
+
+ Como referido anteriormente, de entre os vários fluidos existentes, o nitrogênio líquido é a opção mais barata (2.5€/L [^6]) e com uma ampla gama de aplicações:
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+ - **Indústria alimentar:**
+ - Utilizado no congelamento de alimentos, para não perderem as propriedades nutricionais ao longo do transporte como, por exemplo, as grandes cadeias de restauração de comida rápida.
+ - No engarrafamento de garrafas de plástico e/ou latas de alumínio, para bebidas ou conservas, o líquido é injetado com uma certa quantidade de nitrogênio líquido (1 mm³/cm³ de garrafa) imediatamente antes de ser selado e armazenado. Isto possibilita uma sobrepressão no interior da embalagem, permitindo que esta mantenha a sua integridade física.
+ <hr><hr>
+ - **Indústrias aeroespacial:**
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+ Para além do nitrogênio líquido, a mistura de hidrogênio e oxigênio líquido é utilizada em foguetes espaciais, devido às características físico-químicas, conseguem atingir uma elevada energia de propulsão, até ao momento em que o foguete entra em órbita.
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+ Apesar destas vantagens, existem limitações na utilização destes fluidos quando sujeitos a um ambiente espacial, ou seja, o comportamento destes compostos na ausência de gravidade. A utilização de oxigênio líquido para suporte de vida e hélio para a pressurização de tanques, em ambiente espacial, leva à não separação do líquido e do vapor, sendo necessário fornecer uma aceleração auxiliar.
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+ - **Aplicações médicas e bioquímicas:**
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+ Atualmente, para o armazenamento e preservação de informação genética, como por exemplo, na criopreservação de tecidos e amostras de sangue, recorre-se a baixas temperaturas. Esta técnica apresenta limitações para a preservação de grandes amostras, uma vez que o congelamento das células acaba por danificar a sua integridade. Contudo, isto possibilitou uma nova via de tratamento de tumores, a criocirurgia, apresentado resultados promissores.
+
+ Outra aplicação do nitrogênio líquido na área médica é no armazenamento de vacinas, em sistemas de congelamento por *blast* ou por imersão.
+
+
+ ## 7. Referências
+
+ [^1]: **Hands, B. A. (2011).** [_Cryogenic Fluids – Thermopedia._] DOI: 10.1615/AtoZ.c.cryogenic_fluids
+
+ [^2]: **CCOHS – Canadian Centre for Occupational Health and Safety. (2008).** [_Cryogenic Liquids –
+ Hazards._](https://www.cryofab.com/products/Cryogenic-Dewar-Flasks)
+
+ [^3]: **CRYOFAB. (s.d.).** [_Dewar Flasks – CF Series._](https://www.cryofab.com/products/Cryogenic-Dewar-Flasks/)
+
+ [^4]: **Ross Jr., R. G. (2009).** [_Refrigeration Systems for Achieving Cryogenic Temperatures._](https://www.taylorfrancis.com/chapters/edit/10.1201/9781315371962-14/refrigeration-systems-achieving-cryogenic-temperatures-ronald-ross-jr) Jet Propulsion Laboratory – California Institute of Technology.
+
+ [^5]: **Ventura, G., Risegari, L. (2008).** [_The Art of Cryogenics: Low-Temperature Experimental
+ Techniques._](chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://vidyaputrasite.wordpress.com/wp-content/uploads/2015/12/art-of-cryogenics-author-guglielmo-ventura-and-lara-risegari-by-vidyaputra.pdf) (Capítulo 14). 1ª Edição: Elsevier, Oxford, Reino Unido.
+
+ [^6]: **Díez-Jiménez, E., Alcover-Sanchéz, R., Pereira, E., Garcia, M. J. G., Vián, P. M. (2019).** [_Design and Test of Cryogenic Cold Plate for Thermal-Vacuum Testing of Space Components._](https://www.mdpi.com/1996-1073/12/15/2991) DOI: 10.3390/en12152991
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