Diversos setores da sociedade moderna, como a medicina, indústrias aeroespaciais, de energia, de alimentos, entre outros, utilizam a criogenia em seus processos.
Esse assunto gera curiosidade em muitas pessoas, já que não é de fácil imaginação a aplicação de temperaturas que podem ser até mesmo inferiores a -150 ºC.
Mas, quando o assunto é um pouco mais técnico e abrange o manuseio e controle de algumas variáveis presentes nesse meio, as dúvidas se tornam ainda mais pertinentes.
“Qual dispositivo direcionar para aplicações criogênicas e como eles suportam temperaturas tão baixas em operações contínuas?”
Pois é. A engenharia desperta curiosidades. E quanto mais estudamos, mais chegamos à conclusão de que sabemos muito pouco.
Enfim, para agregar ao seu conhecimento profissional à respeito do assunto, nós da Nepin preparamos um texto direcionado às válvulas criogênicas.
O que são esses dispositivos? E como operam em condições extremas? É sobre isso que trata este texto.
O que caracteriza uma válvula criogênica
Se o exercício for imaginar ou descrever uma válvula, podemos fazê-lo com uma certa tranquilidade. Mas, o que caracteriza uma válvula criogênica?
Bem, a válvula criogênica é um dispositivo projetado para operar em temperaturas extremamente baixas. Essa temperatura pode ser de -50 °C, mas podendo chegar até a incríveis -196 °C, como ocorre no caso do nitrogênio líquido.
Além disso, as válvulas criogênicas são desenvolvidas para manter integridade estrutural, segurança operacional e estanqueidade, considerando as severas contrações térmicas as quais estão suscetíveis.
Desta forma, se você pensa em utilizar válvulas comuns para aplicações criogênicas, espere travamentos, vazamentos e falhas prematuras como resultado.
Principais aplicações das válvulas criogênicas
As válvulas criogênicas são encontradas em diversos setores da sociedade. Seja no armazenamento, transporte e controle de gases liquefeitos, essas válvulas podem estar presentes.
Alguns desses sistemas se resumem a:
- Nitrogênio líquido (LN₂)
- Oxigênio líquido (LOX)
- Argônio líquido (LAr)
- Gás natural liquefeito (LNG)
- Dióxido de carbono liquefeito
Mas, para ser mais específico, as suas aplicações são:
1. Medicina e Saúde
Essa pode estar entre as áreas mais conhecidas à respeito da aplicação da criogenia, já que muitos têm ciência da preservação de vida e no tratamento de doenças.
O armazenamento de células-tronco, sangue do cordão umbilical, óvulos, espermatozoides e embriões em nitrogênio líquido (-196 °C) para uso futuro retratam a criopreservação.
Já o uso do frio intenso para destruir tecidos doentes, como verrugas, lesões de pele ou até tumores internos, com alta precisão e menos sangramento, caracteriza a criocirurgia.
Além disso, o hélio líquido é usado para resfriar os ímãs supercondutores das máquinas de ressonância, permitindo que funcionem sem resistência elétrica.
2. Indústria Aeroespacial
Em viagens espaciais, gases como oxigênio e hidrogênio são liquefeitos em temperaturas criogênicas para reduzir seu volume, permitindo que grandes quantidades de energia sejam armazenadas em tanques compactos para o lançamento.
3. Indústria Alimentícia
Na indústria alimentícia, a criogenia é utilizada para manter a qualidade superior dos produtos que consumimos, através do congelamento ultrarrápido (IQF) por meio de nitrogênio líquido.
Esse processo evita a formação de grandes cristais de gelo que rompem as fibras, preservando a textura, o sabor e os nutrientes originais (muito comum em frutas vermelhas e carnes nobres).
4. Tecnologia e Ciência de Materiais
Em aceleradores de partículas (como o CERN) ou em trens de levitação magnética, materiais são resfriados a temperaturas criogênicas para conduzir eletricidade com perda mínima de energia.
Para o reaproveitamento de pneus e plásticos, congela-se os mesmos até ficarem extremamente quebradiços, facilitando sua trituração em partículas minúsculas para reaproveitamento.
5. Energia e Transporte
Para transportar gás natural por longas distâncias (em navios), ele é resfriado até virar líquido, o que reduz seu volume em cerca de 600 vezes, tornando a logística viável.
Por que as válvulas criogênicas são especiais?
Para responder a essa pergunta, devemos direcionar o assunto aos “desafios da criogenia voltados aos dispositivos utilizados”.
E quais seriam esses desafios? Veja bem:
- Contração térmica dos materiais, que pode comprometer folgas e alinhamentos;
- Fragilização de metais, tornando materiais comuns suscetíveis a trincas;
- Formação de gelo devido à condensação da umidade ambiente;
- Variações de pressão decorrentes da vaporização do fluido.
Como válvulas criogênicas operam em condições extremas
Para entender como válvulas criogênicas operam em condições extremas, parece uma boa estratégia iniciar pelos possíveis materiais que a compõem.
Afinal de contas, são detalhes importantes que tornam possível o uso dessas válvulas para essa aplicação.
Materiais
Enfim, a escolha dos materiais é um dos pontos mais críticos no projeto de válvulas criogênicas. Os mais utilizados são:
- Aços inoxidáveis austeníticos (como AISI 304 e 316), que mantêm ductilidade em baixas temperaturas.
- Ligas especiais, quando há exigências adicionais de resistência mecânica ou química.
- Materiais de vedação compatíveis, como PTFE e PCTFE, que mantêm desempenho mesmo sob criogenia.
Materiais convencionais tendem a perder tenacidade e elasticidade, tornando-se inadequados para essas condições.
Projeto construtivo
Os materiais que compõem a válvula criogênica são, sim, importantes. No entanto, são insuficientes para permitir o uso para essa aplicação tão crítica.
Além dos materiais, o projeto construtivo é determinante para o desempenho da válvula.
Um dos principais diferenciais é a haste alongada (extended bonnet).
Apesar de parecer “bobo”, esse recurso mantém os elementos de vedação e acionamento afastados da região criogênica. Isso reduz a transferência de frio e evita o congelamento de gaxetas.
Além disso, o projeto também considera:
- Isolamento térmico adequado;
- Geometrias que evitam aprisionamento de fluido;
- Tolerâncias compatíveis com contração térmica
Vedação e estanqueidade em condições extremas
As baixas temperaturas afetam diretamente o comportamento dos materiais de vedação. Isso é um problema!!
Veja o nitrogênio líquido por exemplo. Este fluido normalmente acompanha este símbolo de segurança abaixo que representa asfixia.
O problema atrelado é a expansão do fluido, já que um litro de N2 se expande para 700L de gás, que vai arrastar o oxigênio do ambiente para fora do mesmo, se tornando então o gás principal naquele lugar, sendo fatal.
Além disso, estamos falando de temperaturas que chegam até -196 °C. O contato do nitrogênio líquido com a pele ou olhos pode causar lesões graves por congelamento
.Ainda que sejam feitos ciclos térmicos severos, é necessário garantir que a confiabilidade da vedação esteja diretamente ligada à segurança do processo e à eficiência operacional.
Tipos de válvulas criogênicas mais utilizados
Como as válvulas criogênicas são encontradas em diversos processos, vê-se a mesma desempenhando diferentes funções em um sistema.
- Válvulas de esfera criogênicas, amplamente utilizadas para bloqueio rápido e seguro de termotanques (ou tanques criogênicos);
- Válvulas globo criogênicas, indicadas quando há necessidade de controle mais preciso, pois podem ser modulares (abertura controlada para permitir passagem de fluido);
- Válvulas de retenção e de segurança, essenciais para proteção do sistema contra sobrepressão.
Sabe-se, além disso, que as válvulas hoje em dia são automatizadas. Então, nelas encontra-se um atuador que tem a função de fornecer o torque necessário para operar a válvula.
A quantidade de torque necessária varia de válvula para válvula e depende do nível de pressão do fluido.
Com uma válvula criogênica automática, não há necessidade de operador de válvula.
Esse tipo de válvula tem ganhado espaço nas indústrias em geral, pois ajuda a reduzir riscos à saúde que podem ocorrer devido a lesões ao operador da válvula quando a válvula falha ou vazamento de fluido.
Veja por exemplo que a abertura das válvulas descritas abaixo (e ofertadas no nosso site) ocorre por solenoide:
Considerações finais
Por fim, podemos dizer que as válvulas criogênicas desempenham um papel crítico na segurança e na confiabilidade de sistemas que operam em temperaturas extremas.
Mais do que um simples componente, elas são elementos estratégicos do processo.
Entender suas características talvez seja o caminho mais fácil para entender como são utilizadas em situações críticas.
