O papel dos aerossóis em testes de vazamento de filtros

Fundamentos, métodos e equipamentos para detectar vazamentos e validar a integridade de filtros e meios filtrantes com rigor metrológico.

Resumo técnico: aerossóis de teste são a base para medir integridade, eficiência fracionária e estanqueidade, garantindo reprodutibilidade e conformidade às normas de ensaio.

1. Conceitos Fundamentais

Testes de vazamento verificam a ausência de caminhos preferenciais (bypasses, microperfurações e falhas de vedação) em filtros e meios filtrantes. Diferem da medição de eficiência global, pois avaliam penetrações locais ao longo da superfície ou do selamento. O aerossol de teste é a fase dispersa usada para desafiar o filtro com distribuição de tamanho e concentração controladas.

O comportamento de partículas em filtros fibrosos é governado por difusão browniana (dominante em < ~100 nm), interceptação e impacto inercial (predominantes > ~300 nm), além de efeitos eletrostáticos e sedimentação. A combinação desses mecanismos gera a MPPS (Most Penetrating Particle Size), normalmente entre 0,07 e 0,3 µm para filtros HEPA/ULPA. A caracterização adequada da MPPS é crítica para a medição de eficiência fracionária.

O desempenho do sistema depende de variáveis de processo: pressão diferencial (resistência do meio), velocidade frontal, uniformidade de fluxo, estado de carga das fibras, temperatura e umidade. Em vazamento, a preocupação central é a detecção de picos locais de penetração acima dos limites especificados pelas normas de ensaio (ex.: ISO 16890, EN 1822, ISO 29463, ISO 14644-3).

Parâmetros críticos de um ensaio de integridade incluem: distribuição granulométrica, concentração e estabilidade do aerossol, controle de carga elétrica (neutralização), amostragem isocinética, relação sinal-ruído dos sensores, calibração, e rastreabilidade metrológica de vazão e contagem de partículas.

2. Métodos e Técnicas de Medição

2.1 Fotometria (massa/espalhamento)

Fotômetros de aerossol medem a atenuação/espalhamento de luz pela nuvem, fornecendo sinal proporcional à concentração massiva. São adequados para teste de vazamento com varredura (scanning) em filtros instalados, especialmente com DEHS/PAO gerados por bicos Laskin. Atendem a ISO 14644-3 para ensaios em sala limpa e são utilizados em integridade de filtros HEPA e ULPA quando a preocupação é detectar vazamentos macroscópicos. Limitação: baixa resolução fracionária em tamanho e dependência do índice de refração/forma das partículas.

2.2 Contagem óptica de partículas (OPC/OPS)

Contadores ópticos classificam partículas por canais de diâmetro equivalente (por espalhamento). Usados com aerossóis monodispersos (ex.: PSL ~0,3 µm) ou polidispersos, possibilitam detectar variações locais de penetração por contagem de partículas. Limitações incluem coincidência a altas concentrações, dependência do fator de calibração óptico e incertezas em partículas não esféricas. Em conformidade com práticas de upstream/downstream, auxiliam a quantificar penetração por faixas de diâmetro.

2.3 CPC e espectrometria por mobilidade (SMPS)

Para eficiência fracionária e MPPS, usa-se CPC (Condensation Particle Counter) acoplado a classificadores (DMA) em um espectrômetro de aerossol do tipo SMPS. O SMPS provê análise granulométrica por mobilidade elétrica entre ~10 e ~500 nm, permitindo eficiência size-resolved do meio filtrante conforme EN 1822 e ISO 29463. Requer neutralização de carga (soft X-ray ou 85Kr) e estabilidade de fluxo e temperatura. Em faixas maiores (> 500 nm), um APS (Aerodynamic Particle Sizer) complementa a análise.

2.4 Métodos salinos e gravimétricos

Aerossóis de NaCl/KCl são gerados por nebulização com secagem difusiva, ideais para ensaios padronizados pela EN 1822/ISO 29463. Em ventilação geral, a ISO 16890 utiliza medição óptica em faixas PM1, PM2,5 e PM10 com determinação do grupo ePM (suporte a classificações por massa, com etapas gravimétricas de condicionamento e carregamento). O método gravimétrico puro avalia ganho de massa e perda de carga, mas não detecta vazamentos locais finos.

2.5 Quando usar cada técnica

• Varredura de integridade em campo (HEPA/ULPA em salas limpas): fotometria com PAO/DEHS e sonda de varredura conforme ISO 14644-3.

• Classificação de filtros absolutos em laboratório: SMPS/CPC (eficiência fracionária na MPPS) conforme EN 1822/ISO 29463.

• Filtros de ventilação geral: ensaios conforme ISO 16890 com contadores ópticos e protocolos de carregamento.

• Diagnóstico de meios filtrantes e P&D: combinação de OPC/SMPS/APS, para curvas de penetração e estudo de comportamento de partículas.

2.6 Quadro comparativo conceitual

3. Equipamentos Usados no Setor

3.1 Geração e condicionamento de aerossol

• Geradores por bico Laskin (DEHS/PAO): desafio para fotometria e varredura de vazamento; alta estabilidade de fluxo e concentração.

• Nebulizadores salinos (NaCl/KCl) com secagem difusiva: distribuição estreita e reprodutibilidade para ensaios normativos.

• Nebulização de PSL para calibração em 0,1–1 µm, útil em validação de contagem de partículas e checagem de canais.

• Neutralizadores (soft X-ray/85Kr) para estado de carga Boltzmann; reduzem artefatos em espectrômetro de aerossol.

3.2 Medição e análise

• Fotômetros de varredura com sondas e bicos isocinéticos; taxas de varredura ajustáveis e limiar de alarmes conforme classe.

• OPC/OPS portáteis e de bancada para monitoração upstream/downstream com mapeamento espacial.

• CPC, SMPS, APS e DMA: plataformas de sistemas de teste e medição para curvas de eficiência fracionária e análise granulométrica.

• Manômetros e transdutores de pressão diferencial de alta resolução para correlação entre perda de carga e estado do filtro.

3.3 Bancadas e sistemas integrados

• Bancadas automotivas/industriais com controle de vazão, temperatura e umidade, diluição de aerossol, amostragem multiponto e automação.

• Células de ensaio de meios filtrantes em folha plana, com área útil conhecida e controle de velocidade face.

• Sistemas TOPAS e plataformas equivalentes oferecem integração de geração, condicionamento, distribuição e medição de aerossóis, com módulos para SMPS/OPC/fotometria e registro de dados rastreáveis.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

4.1 Salas limpas e farmacêutica (HEPA/ULPA)

Para validação e manutenção de salas limpas, realiza-se injeção de aerossol de teste no plenum upstream e varredura da face do filtro com fotômetro e sonda, conforme ISO 14644-3. Em laboratório, a classificação de filtros HEPA e ULPA usa EN 1822/ISO 29463, determinando a MPPS e a eficiência fracionária. O ensaio garante que vazamentos locais e penetrações globais estejam dentro dos limites.

4.2 Filtros automotivos e turbomáquinas

Entradas de ar de motores e turbinas a gás exigem controle de vazamento para evitar picos de penetração que aceleram a erosão e o fouling. Bancadas com OPC/APS e medição de pressão diferencial permitem correlacionar eficiência por tamanho à perda de carga sob poeiras padronizadas, assegurando durabilidade e proteção do equipamento.

4.3 Ventilação geral e HVAC

A ISO 16890 orienta a avaliação de filtros em termos de ePM1, ePM2,5 e ePM10. Embora o foco seja massa particulada, a avaliação de vazamentos locais em módulos ou cassete pode ser incorporada com varredura óptica ou fotométrica para garantir integridade antes da instalação.

4.4 P&D de meios filtrantes

Laboratórios de P&D de meios filtrantes utilizam SMPS/APS para mapear curvas de eficiência e identificar a MPPS sob diferentes velocidades e estados de carga. A análise granulométrica detalhada ajuda a otimizar diâmetro de fibra, porosidade e tratamentos eletrostáticos, reduzindo a MPPS e elevando a eficiência sem penalizar a pressão diferencial.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

• Seleção do aerossol de teste: DEHS/PAO para fotometria e integridade em campo; NaCl/KCl para conformidade EN 1822/ISO 29463; PSL para checagens monodispersas. Escolha em alinhamento às normas de ensaio (ex.: ISO 16890, EN 1822, etc.).

• Neutralização de carga: use neutralizadores para alcançar distribuição Boltzmann; evita viés de mobilidade no SMPS e artefatos em penetração por atração eletrostática.

• Concentração e diluição: mantenha o desafio em regime que evite coincidência em OPC e saturação em fotômetros; use diluidores certificados para expandir faixa dinâmica.

• Amostragem e varredura: adote bicos isocinéticos e velocidade de varredura conforme norma; mantenha distância e sobreposição de linhas para não perder vazamentos estreitos.

• Controle de fluxo: rastreabilidade da vazão volumétrica e da pressão diferencial; monitore estabilidade térmica e higrométrica para garantir reprodutibilidade.

• Calibração e verificação: calibração periódica de fotômetros, OPC, CPC e transdutores; uso de PSL de referência e checagem de zero e background antes de cada série.

• Caracterização da MPPS: varra a faixa submicrométrica com SMPS para localizar a MPPS sob a condição de teste; reportar a eficiência fracionária no ponto crítico e na curva completa.

• Uniformidade do fluxo: assegure mistura homogênea do aerossol upstream (plenum, telas de homogeneização) para evitar leituras espúrias.

• Integridade de vedação: avalie junturas, gaxetas e molduras; muitos vazamentos não estão no meio, mas na interface filtro-housing.

• Tratamento de dados e incerteza: aplique correções de coincidência e múltipla carga (SMPS), cálculos de penetração/eficiência com bandas de confiança e estimativas de incerteza combinada.

• Documentação: gere relatórios contendo configuração do sistemas de teste e medição, aerossol utilizado, condições ambientais, curvas de calibração e rastreabilidade.

6. Conclusão Técnica

Os aerossóis de teste são elementos centrais para a avaliação de integridade e desempenho de filtros. A seleção criteriosa do método (fotometria, contagem de partículas, espectrômetro de aerossol) e a aderência às normas de ensaio asseguram comparabilidade, rastreabilidade e reprodutibilidade.

Para filtros críticos como filtros HEPA e ULPA, a combinação entre varredura de vazamento e determinação da MPPS por eficiência fracionária fornece um diagnóstico completo. Em ventilação geral, abordagens ISO 16890 complementam a integridade local com avaliação por massa e estabilidade de desempenho.

A confiabilidade dos resultados depende da integração adequada de geração de aerossol, condicionamento, amostragem, instrumentação e controle de processo em sistemas de teste e medição robustos, como os fornecidos por plataformas integradas (ex.: sistemas TOPAS), que combinam geração estável, medição multiprincípio e aquisição de dados.

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