Fluidos Criogénicos

• Autor:
  • Linda Carvalho Cosendey
• Data: 2025-03-11

1. Fluidos criogênicos

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.

Tabela 1. Fluidos criogénicos mais comuns, e propriedades termofísicas dos mesmos

Fonte: Hands, B. A., 2011 ¹.

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.

2. Tipos de fluidos criogênicos ²

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.

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.

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.

3. Formas de armazenamento

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.

4. Sistemas de crio-refrigeração ⁴

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.

Figura 1. Gama de temperatura comum para os diversos fluidos criogénicos utilizados

Fonte: Ross Jr., R. G., 2009 ⁴.

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.

5. 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.

O risco de frio extremo está associado aos vapores frios e gases libertados pelos fluidos criogénicos, que podem causar efeitos na pele semelhantes a queimaduras, podendo causar danos permanentes nos tecidos da pele, bem como nos olhos. Devido à sua temperatura extremamente baixa, o contacto desprotegido com superfícies arrefecidas por fluidos criogénicos levar a que a pele cole com a mesma, causando repercussões graves no tecido da derme.

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.

6. 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:

▪ 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.

▪ Indústrias aeroespacial:

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.

▪ Aplicações médicas e bioquímicas:

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

Hazards._](https://www.cryofab.com/products/Cryogenic-Dewar-Flasks)

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.