Filtros Industriais – HEPA/ULPA e Turbina a Gás (46–60): Ensaios, Métricas e Sistemas de Medição

Subtítulo: Critérios de desempenho, normas e instrumentação para validar eficiência, vazamento e perda de carga em meios filtrantes de alta criticidade.

Em uma frase: A confiabilidade do teste de filtros depende da seleção correta de aerossol de teste, método de medição e controle metrológico de variáveis como pressão diferencial, vazão e análise granulométrica.

1. Conceitos Fundamentais

Filtros industriais para salas limpas (filtros HEPA e ULPA) e para admissão de ar em turbinas a gás operam sob exigências distintas, mas compartilham fundamentos físicos comuns: captura de partículas em meios porosos, formação de depósito (loading) e relação entre eficiência e perda de carga.

O comportamento de partículas em escoamento através de fibras ou membranas é governado por mecanismos de coleta, cuja contribuição relativa varia com o diâmetro aerodinâmico, velocidade superficial e propriedades do meio:

• Difusão (Browniana): dominante em partículas ultrafinas, aumentando a probabilidade de colisão com fibras.

• Interceptação: ocorre quando a trajetória do centro da partícula passa a uma distância menor que o raio da partícula em relação à fibra.

• Impactação inercial: relevante em partículas maiores e maiores números de Stokes; a partícula não acompanha as linhas de corrente.

• Sedimentação: pode contribuir em baixas velocidades e geometrias específicas.

• Atrações eletrostáticas: dependem da carga do meio/partícula; podem aumentar eficiência, mas geram sensibilidade a umidade, envelhecimento e neutralização.

Em filtros de alta eficiência, o ponto crítico é o MPPS (Most Penetrating Particle Size), no qual a eficiência é mínima por ser a região de transição entre difusão e mecanismos inerciais. Para HEPA/ULPA, o MPPS tipicamente está na faixa submicrométrica; por isso, a medição requer eficiência fracionária e instrumentação capaz de resolver tamanhos relevantes com baixa incerteza.

Do ponto de vista de escoamento, a pressão diferencial (Δp) é parâmetro de projeto e de aceitação. Ela depende de:

• Vazão (Q) e velocidade frontal;

• Permeabilidade e espessura do meio;

• Distribuição de poros e estrutura do meio (microfibra, PTFE, compósitos);

• Estado de carregamento por partículas e eventual compactação.

Em turbinas a gás, além de eficiência e Δp, há requisitos de resistência mecânica, estabilidade sob pulsação/umidade e capacidade de lidar com poeira e aerossóis salinos, pois a degradação por fouling e corrosão impacta diretamente eficiência do compressor e manutenção.

2. Métodos e Técnicas de Medição

A caracterização robusta requer separar três dimensões: (i) eficiência/penetração por tamanho, (ii) vazamento/localização de defeitos e (iii) perda de carga e comportamento em regime (incluindo loading). A escolha do método depende da classe do filtro (HEPA/ULPA vs turbina), do objetivo (P&D, qualificação, produção) e das normas de ensaio.

2.1 Eficiência fracionária e análise granulométrica

A eficiência fracionária é obtida comparando-se concentrações a montante e a jusante por faixas de tamanho (bins). A penetração P(d) é dada por P(d)=Cjus(d)/Cmon(d) e a eficiência η(d)=1−P(d). Esse método é essencial para identificar MPPS, variações de processo e efeitos de carregamento em diferentes tamanhos.

Para isso, usam-se instrumentos como espectrômetro de aerossol (baseado em espalhamento óptico) ou analisadores por mobilidade elétrica (quando aplicável). A qualidade do dado depende de estabilidade do aerossol de teste, neutralização de carga (quando requerido), correção de coincidência e controle de diluições.

2.2 Contagem de partículas e ensaios de vazamento

A contagem de partículas é amplamente utilizada em qualificação de HEPA/ULPA e em varreduras de integridade. Em filtros terminais de salas limpas, a combinação de aerossol de desafio e varredura a jusante permite localizar falhas (mídia, vedação, moldura). Nesses ensaios, a resolução espacial e o controle de fundo (background) são determinantes para reduzir falsos positivos.

Há duas abordagens típicas:

• Integral: mede concentração total/por faixa em um ponto representativo.

• Varredura (scan): mapeia a face a jusante para localizar vazamentos e defeitos.

2.3 Métodos gravimétricos e de poeira para filtros de turbina a gás

Para filtros de turbina a gás e estágios pré-filtro, métodos gravimétricos e ensaios com poeira padrão avaliam capacidade de retenção, aumento de Δp e eficiência global sob carga. Embora menos resolutivos em tamanho que a eficiência fracionária, são essenciais para correlacionar desempenho com vida útil e custos operacionais.

2.4 Normas de ensaio e comparabilidade

A seleção de norma influencia diretamente o método e o critério de aceitação. Normas relevantes incluem:

• EN 1822 e ISO 29463: classificação e ensaio de filtros HEPA/ULPA, incluindo eficiência no MPPS e testes de vazamento.

• ISO 16890: desempenho de filtros de ventilação geral por frações (ePM1, ePM2.5, ePM10), útil em estágios upstream, não substitui EN 1822 para HEPA/ULPA.

• ISO 12500 (aplicações automotivas) e métodos setoriais para admissão/ambientes severos: aplicáveis por analogia em parte das métricas, mas devem ser alinhados ao requisito do ativo (turbina, compressor, sala limpa).

Em qualquer norma, a comparabilidade depende de coerência entre: geração/condicionamento do aerossol, pontos de amostragem (isocinéticos quando aplicável), vazão nominal, condições ambientais e rastreabilidade metrológica.

3. Equipamentos Usados no Setor

Os sistemas de teste e medição para filtros industriais combinam geração de aerossol, condicionamento de fluxo e instrumentação para medir concentração por tamanho e Δp. Em ambientes de laboratório e produção, a automação melhora repetibilidade e throughput.

3.1 Geração e condicionamento de aerossol de teste

• Geradores de aerossol (óleo, DEHS/PAO, NaCl, PSL): escolhidos conforme norma, faixa de tamanho e compatibilidade com o meio filtrante.

• Neutralizadores (quando aplicável): reduzem efeitos eletrostáticos, melhorando reprodutibilidade em medições por mobilidade/ópticas.

• Controladores de vazão e condicionamento: estabilizam Q, temperatura e umidade, reduzindo deriva do aerossol e do instrumento.

3.2 Instrumentos de medição: espectrômetros e contadores

• Espectrômetro de aerossol (óptico): fornece distribuição de tamanhos por espalhamento, adequado para eficiência fracionária e análise granulométrica em faixas típicas submicrométricas a micrométricas.

• Contadores de partículas: úteis para verificação de limpeza e ensaios de integridade com varredura, com atenção a limites de concentração, coincidência e tempo de amostragem.

• Transdutores de pressão diferencial: devem ter faixa e resolução compatíveis com filtros de baixa perda (HEPA terminais) e filtros de turbina (Δp maior), com compensação térmica.

3.3 Bancadas de ensaio e plataformas integradas

Bancadas automatizadas permitem controlar vazão, registrar Δp e sincronizar amostragem upstream/downstream. Plataformas industriais (incluindo sistemas utilizados no mercado, como soluções do tipo TOPAS para ensaios de filtros e aerossóis) tipicamente integram:

• Controle de vazão (malha fechada) e estabilização do escoamento;

• Portas de amostragem com geometrias que minimizam perdas e segregação;

• Software de aquisição com cálculo de eficiência fracionária, incerteza e relatórios por norma;

• Módulos para ensaios de meios filtrantes (planos) e elementos completos (cartuchos/pleats).

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Em salas limpas (farmacêutica, semicondutores, dispositivos médicos), filtros HEPA e ULPA são qualificados por classe e integridade. A eficiência no MPPS e o teste de vazamento garantem controle de contaminação e suporte a validação/qualificação (QA e compliance).

Em turbinas a gás, a prioridade é proteger o compressor de poeira fina e aerossóis salinos com mínima penalidade energética. Ensaios focam:

• Eficiência em faixas relevantes para fouling;

• Curva Δp vs Q e evolução de Δp com loading;

• Robustez do elemento (mecânica, umidade, pulsação);

• Compatibilidade de meios filtrantes (fibras sintéticas, microfibra, membranas) com o ambiente.

Em laboratórios de P&D e fabricantes de meios filtrantes, a eficiência fracionária é usada para correlacionar microestrutura do meio (gramatura, diâmetro de fibra, tratamento eletrostático, laminação) com MPPS e Δp, permitindo otimização multicritério.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Ensaios de alta sensibilidade exigem controle rigoroso para reduzir incerteza e aumentar reprodutibilidade. Pontos críticos recomendados:

• Estabilidade do aerossol de teste: monitorar concentração e distribuição; evitar flutuações por temperatura/condensação.

• Controle de vazão: usar malha fechada e verificar linearidade; a eficiência depende da velocidade superficial.

• Amostragem representativa: posicionar tomadas upstream/downstream para minimizar gradientes; considerar amostragem isocinética quando aplicável.

• Correções instrumentais: checar coincidência, limites de concentração e calibração do espectrômetro/contador.

• Gestão de fundo: medir background e vazamentos do sistema; evitar contaminação cruzada entre ensaios.

• Δp e condições ambientais: registrar temperatura/umidade; compensar deriva de sensores; manter estanqueidade do duto.

• Critério por norma: alinhar classe, faixa de tamanho, aerossol e método (EN 1822/ISO 29463 vs ISO 16890) para evitar comparações inválidas.

Erros comuns incluem comparar resultados de métodos integrais com fracionários sem equivalência de faixa, ignorar MPPS, e negligenciar efeitos eletrostáticos em meios carregados.

6. Conclusão Técnica

O desempenho de filtros HEPA/ULPA e de filtros para turbina a gás deve ser demonstrado por ensaios coerentes com o risco do processo e com normas aplicáveis. A combinação de eficiência fracionária, contagem de partículas, controle de pressão diferencial e rastreabilidade metrológica sustenta decisões de projeto, liberação de produção e conformidade.

Sistemas integrados de ensaio, com geradores de aerossol, espectrômetros de aerossol, transdutores de Δp e automação (incluindo plataformas amplamente utilizadas no setor, como as soluções do tipo TOPAS), elevam a comparabilidade entre lotes e reduzem incertezas, especialmente em regimes próximos ao MPPS e em validações de integridade.

CTA Técnico Final

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