title: Fluidos Criogénicos

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- Linda Carvalho Cosendey

date: 2025-03-11

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- Linda Carvalho Cosendey

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].


Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Rocha e Mendes, 2024 [^6];

Rohstoffe, 2010 [^5].

*Pressure of 0.101325 bar.

Source: Cryogenic Engineering, ed. B.A. Hands, Academic Press (1986).*

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.

Apesar das diferentes propriedades apresentadas pelos vários líquidos criogênicos existentes, é possível englobá-los em três categorias distintas:

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.

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].

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.

| 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*.

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.

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.

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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.

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:

- 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.

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.

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.

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.

[^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