Filtros Industriais: Ensaios e Qualificação de HEPA/ULPA e Filtragem para Turbinas a Gás

Subtítulo: Métodos de teste de filtros, instrumentação e normas para caracterização de eficiência e desempenho aerodinâmico em ambientes críticos.

Valor técnico: Padronizar medições de eficiência fracionária e pressão diferencial aumenta a confiabilidade de qualificação de filtros HEPA e ULPA e reduz risco operacional em sistemas de admissão de turbinas a gás.

1. Conceitos Fundamentais

A filtragem de aerossóis em meios fibrosos é governada por mecanismos de captura dependentes do diâmetro aerodinâmico, densidade, carga elétrica e regime de escoamento. Em filtros industriais, o desempenho é normalmente descrito por eficiência (ou penetração) em função do tamanho de partícula e por parâmetros aerodinâmicos como pressão diferencial e capacidade de carregamento (dust holding).

Em meios filtrantes fibrosos, os mecanismos principais incluem:

• Intercepção: partículas seguem linhas de corrente e colidem com fibras quando o raio da partícula é comparável à distância da linha de corrente à fibra.

• Impactação inercial: partículas com inércia não acompanham a curvatura do escoamento e impactam fibras; relevante para partículas maiores e velocidades mais altas.

• Difusão (Browniana): dominante em partículas submicrométricas; aumenta a captura em tamanhos muito pequenos.

• Atração eletrostática: presente em meios eletretados; melhora eficiência em faixas específicas, porém pode ser sensível a carga, umidade e envelhecimento.

O resultado combinado gera a curva típica em “U” da penetração, com um ponto crítico chamado MPPS (Most Penetrating Particle Size). Para filtros HEPA e ULPA, o MPPS costuma ocorrer na faixa aproximada de 0,1 a 0,3 µm, dependendo do meio filtrante, velocidade de face e carga eletrostática. Ensaios modernos focam na determinação da eficiência no MPPS, pois esse ponto representa a condição mais exigente.

Além da eficiência, a pressão diferencial inicial e sua evolução com o carregamento são críticas para consumo energético, estabilidade de vazão e integridade do sistema. Em admissão de turbina a gás, a perda de carga influencia diretamente o desempenho termodinâmico e a disponibilidade; em salas limpas, afeta o balanceamento de ar e a conformidade de classificação.

2. Métodos e Técnicas de Medição

Um teste de filtros tecnicamente robusto requer a definição do aerossol de teste, método de amostragem e instrumentação adequada ao intervalo granulométrico. A seleção do método depende do tipo de filtro (HEPA/ULPA, pré-filtros, filtros para turbinas), das normas envolvidas e do objetivo (qualificação de lote, P&D de meios filtrantes, validação regulatória).

2.1 Eficiência fracionária e análise granulométrica

A eficiência fracionária é obtida medindo-se concentração a montante e a jusante por faixas de tamanho, permitindo calcular penetração por canal. Esse método fornece a curva de eficiência e identifica MPPS, sendo essencial para HEPA/ULPA e para comparação de meios filtrantes em P&D.

A técnica requer:

• Geração de aerossol de teste com distribuição controlada (ex.: NaCl, DEHS/DOP substitutos, KCl, conforme norma e aplicação).

• Análise granulométrica por espectrometria (classificação por diâmetro óptico ou mobilidade elétrica, conforme instrumentação).

• Correção de diluição, isocineticidade e alinhamento de tempos de resposta entre canais de amostragem.

2.2 Medição óptica e contagem de partículas

A contagem de partículas por contadores ópticos (OPC) é amplamente utilizada em salas limpas e para verificações operacionais, com classificação por diâmetro óptico equivalente. Para HEPA/ULPA, OPC pode ser aplicável em testes de integridade e varredura (scanning) quando a norma e a faixa de tamanho são atendidas, mas pode ter limitações para partículas muito pequenas e para concentrações elevadas.

Limitações típicas:

• Dependência do índice de refração e formato da partícula (erro de sizing óptico).

• Saturação em altas concentrações e necessidade de diluição controlada.

• Incertezas de coincidência e ruído de fundo em baixas contagens.

2.3 Métodos gravimétricos e por massa

Métodos gravimétricos determinam eficiência por massa coletada ou pela variação de massa do filtro. São comuns em avaliações de filtros grossos e finos para HVAC e em cenários de carregamento com poeira padronizada. Embora robustos para massa total, não fornecem resolução granulométrica e podem mascarar comportamentos críticos no MPPS.

2.4 Normas de ensaio e implicações metrológicas

As normas de ensaio definem aerossol, vazão, condicionamento e critérios de classificação. As mais relevantes incluem:

• EN 1822 e ISO 29463: classificação de filtros HEPA/ULPA com foco em MPPS, eficiência global e local (varredura para detecção de vazamentos).

• ISO 16890: classificação de filtros para ventilação geral por eficiência em frações PM1/PM2,5/PM10, útil para pré-filtros e estágios anteriores a HEPA em sistemas industriais.

• Normas setoriais e especificações de OEMs para turbina a gás, frequentemente combinando requisitos de eficiência, perda de carga, robustez mecânica e resistência ambiental (umidade, névoa salina, pulsação).

Do ponto de vista metrológico, a incerteza é fortemente afetada por estabilidade do aerossol, eficiência de amostragem, calibração do instrumento e repetibilidade de vazão. A reprodutibilidade entre laboratórios depende de aderência estrita aos requisitos normativos e de rastreabilidade de calibração.

3. Equipamentos Usados no Setor

Laboratórios e linhas de produção utilizam sistemas de teste e medição integrados para gerar aerossol, controlar vazão e medir concentrações e perdas de carga. Em aplicações HEPA/ULPA e de turbina a gás, a arquitetura típica inclui geração de aerossol, seção de mistura, porta-filtro, instrumentação de concentração e módulos de medição de fluxo e pressão.

3.1 Espectrômetro de aerossol e instrumentos de sizing

O espectrômetro de aerossol permite medir distribuição por tamanho e concentração por canal, habilitando eficiência fracionária e identificação do MPPS. Em soluções industriais, como plataformas de instrumentação e bancadas automatizadas (ex.: ecossistemas TOPAS), a integração entre espectrometria, controle de vazão e aquisição de dados reduz variabilidade e suporta auditorias.

3.2 Contadores de partículas e sistemas de varredura

Contadores ópticos e sistemas de varredura (scanning) são usados para testes de integridade de HEPA/ULPA, detecção de vazamentos em meios e vedação, e verificação de uniformidade. Em filtros de alta eficiência, a inspeção local complementa a eficiência global, reduzindo risco de bypass por falhas de montagem, selagem ou mídia.

3.3 Medição de pressão diferencial e vazão

Transdutores de pressão diferencial de alta resolução e medidores de vazão (laminar flow elements, venturis, anemometria térmica, conforme faixa) são essenciais para correlacionar eficiência com regime de escoamento. A velocidade de face altera o MPPS e a curva de penetração; portanto, o controle de vazão deve ser estável e rastreável.

3.4 Bancadas de teste para meios filtrantes

Para P&D e controle de meios filtrantes, bancadas específicas avaliam permeabilidade, gramatura, espessura, carga eletrostática e comportamento sob condições ambientais. A correlação entre propriedades do meio e desempenho do elemento final exige protocolos consistentes e modelos de escalonamento (media-to-element).

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Em salas limpas e ambientes farmacêuticos, filtros HEPA/ULPA são qualificados para garantir controle de contaminação. Ensaios conforme EN 1822/ISO 29463 suportam liberação de lote e validação, enquanto verificações in situ utilizam contagem de partículas e testes de integridade para confirmar que o sistema instalado atende requisitos operacionais.

Na indústria de turbinas a gás, a filtragem de admissão é projetada para reduzir erosão, fouling e corrosão por partículas e aerossóis líquidos. Aqui, além da eficiência, ganham relevância:

• Perda de carga ao longo da vida e sensibilidade a umidade/neblina.

• Resistência mecânica do elemento e estabilidade do meio sob pulsação.

• Estratégia multietapas (pré-filtro + coalescente + filtro fino), compatível com a distribuição de poeira local.

Em laboratórios de P&D, a comparação de mídias requer séries de ensaios com a mesma condição de aerossol, mesma vazão e instrumentação calibrada, permitindo diferenciar ganhos reais de eficiência de efeitos de variabilidade do aerossol e do método de amostragem. A avaliação do comportamento de partículas (aglomerados, higroscopicidade, carga) é particularmente importante ao comparar aerossóis salinos versus oleosos.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Para reduzir incerteza e elevar reprodutibilidade, recomenda-se estruturar o teste de filtros com controle rigoroso de variáveis e verificações metrológicas.

5.1 Controle do aerossol e da amostragem

• Estabilizar concentração e distribuição do aerossol de teste antes de iniciar aquisição.

• Garantir mistura homogênea a montante e evitar gradientes de concentração.

• Implementar amostragem isocinética quando aplicável e minimizar perdas em linhas (curvas, comprimentos, deposição eletrostática).

5.2 Instrumentação, calibração e incerteza

• Calibrar espectrômetro de aerossol e contadores conforme requisitos do fabricante e rastreabilidade.

• Validar linearidade em faixa de concentração e aplicar diluição controlada quando necessário.

• Registrar temperatura, umidade e pressão barométrica; correções podem ser relevantes para vazão e para propriedades do aerossol.

5.3 Parâmetros críticos de desempenho

Uma matriz mínima de parâmetros para comparação técnica entre filtros e lotes pode incluir:

• Eficiência fracionária e MPPS (curva completa, não apenas um ponto).

• Pressão diferencial inicial e em pontos de carregamento padronizados.

• Uniformidade (quando aplicável): variação espacial e resultados de varredura.

• Critérios de aceitação alinhados às normas de ensaio e ao uso final (HEPA/ULPA, turbina a gás, HVAC).

5.4 Tabela conceitual de escolha de método

6. Conclusão Técnica

A qualificação de filtros industriais para filtros HEPA e ULPA e para turbina a gás exige medição rastreável de eficiência e desempenho aerodinâmico, com foco em MPPS, controle do aerossol e instrumentação apropriada. A combinação de eficiência fracionária, contagem de partículas, espectrometria e monitoramento de pressão diferencial fornece base objetiva para decisões de engenharia, validação e compliance.

Ao aplicar normas como EN 1822/ISO 29463 e ISO 16890, e ao utilizar sistemas de teste e medição integrados (incluindo soluções do ecossistema TOPAS), laboratórios e fabricantes reduzem incertezas, aumentam reprodutibilidade e fortalecem a confiabilidade de laudos, liberações de lote e qualificações de processo.

CTA Técnico Final

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