O papel dos aerossóis sintéticos em testes automotivos

Uso de aerossóis gerados artificialmente para caracterizar desempenho de filtros em condições controladas e com alta reprodutibilidade.

Resumo técnico: aerossol de teste bem especificado é essencial para medir eficiência fracionária, perda de carga e vida útil de filtros automotivos com rastreabilidade metrológica.

1. Conceitos Fundamentais

Aerossóis sintéticos são suspensões de partículas geradas artificialmente com composição, distribuição de tamanho e concentração controladas. Em teste de filtros, substituem poeiras ambientais, reduzindo variabilidade e promovendo reprodutibilidade.

O comportamento de partículas em escoamentos internos é governado por difusão browniana (nanométrico), interceptação e impacto inercial (micrométrico), sedimentação gravitacional (partículas grandes) e forças eletrostáticas. O ponto de maior penetração, MPPS (Most Penetrating Particle Size), para muitos meios está entre 0,1 e 0,3 µm.

Em filtragem, a eficiência é função da granulometria do aerossol de teste, da velocidade superficial do meio, da carga eletrostática do meio e das partículas, da temperatura e da umidade. Distribuições lognormais são comuns em geração com atomizadores, enquanto monodispersões podem ser obtidas por seleção elétrica (DMA) ou por PSL.

Parâmetros críticos incluem: vazão volumétrica, velocidade superficial, pressão diferencial (Δp), concentração e número de partículas, distribuição de tamanho, estado de carga das partículas, e estabilidade temporal. Esses fatores determinam a capacidade de comparação entre laboratórios.

No contexto automotivo, distinguem-se três frentes: filtros de cabine (qualidade do ar interno), filtros de admissão do motor (proteção e desempenho) e elementos para sistemas auxiliares. Cada aplicação tem regime de fluxo e alvo de granulometria específicos.

2. Métodos e Técnicas de Medição

2.1 Eficiência fracionária por contagem e espectrometria

A eficiência fracionária é obtida como 1 − (Cdown/Cup) por classe de tamanho. Para submicrométrico, combinam-se CPC com SMPS (DMA + CPC) ou um espectrômetro de aerossol elétrico. Para 0,3–20 µm, emprega-se OPC/APS. A contagem de partículas upstream e downstream demanda amostragem isocinética e diluição controlada para evitar coincidência.

Limitações: OPC sofre erros de índice de refração; SMPS requer neutralização de carga e correções de múltiplas cargas; APS mede diâmetro aerodinâmico, sensível à densidade. A seleção da técnica depende do alvo de tamanho e do mecanismo de captura do meio.

2.2 Fotometria e medição óptica de massa

Fotômetros (nefelometria) inferem concentração de massa por espalhamento de luz, úteis para ensaios de filtros grossos e varredura de fugas. Fornecem resposta rápida, porém são dependentes da morfologia e do índice de refração do aerossol de teste.

2.3 Métodos gravimétricos

Ensaios gravimétricos avaliam massa retida e incremento de pressão diferencial. São a base de normas de capacidade de poeira. Vantagens: rastreabilidade e baixo custo. Limitações: não discriminam frações de tamanho, e requerem controle rigoroso de umidade e balanças de alta resolução.

2.4 Comparação e seleção de método

• Sub-100 nm: SMPS/DMA + CPC para número e distribuição elétrica.

• 0,1–5 µm: OPC/APS para número; fotometria para massa.

• Capacidade de poeira: gravimetria e Δp em função da carga.

• Integridade e fugas: fotometria de scanning e/ou contagem local.

Normativo: normas de ensaio (ex.: ISO 16890, EN 1822, etc.) especificam classes, aerossóis e métodos de avaliação para HVAC e filtros de alta eficiência; no automotivo, ISO 11155-1 (cabine) e ISO 5011 (admissão) definem protocolos.

3. Equipamentos Usados no Setor

3.1 Geração e condicionamento de aerossol

• Geradores por bico Laskin (DEHS/PAO): estáveis para 0,2–1 µm e fotometria.

• Atomizadores pneumáticos e evaporador-condensação: produzem distribuições lognormais controláveis.

• Seleção monodispersa: DMA para frações submicrométricas e PSL para calibração.

• Neutralizadores de carga: raio-X suave para distribuição de Boltzmann.

• Sistemas de diluição e mistura: mantêm concentração e homogeneidade upstream.

3.2 Medição e análise granulométrica

• Espectrômetro de aerossol elétrico/óptico (SMPS, APS, ELPI) para análise granulométrica e número.

• OPC e CPC para contagem de partículas por classes.

• Fotômetros/nefelômetros para concentração de massa.

• Transdutores de pressão diferencial e medidores de vazão com rastreabilidade.

3.3 Bancadas e sistemas de teste e medição

Bancadas dedicadas integram geração, condicionamento, amostragem e instrumentação com controle de vazão, temperatura e umidade. Sistemas modulares permitem ensaiar meios filtrantes planos, cartuchos e filtros completos.

Plataformas como os sistemas TOPAS para teste de filtros e geração de aerossol, além de soluções equivalentes de outros fabricantes, oferecem integração entre geradores, diluidores, neutralizadores, espectrômetros e fotômetros, favorecendo confiabilidade e repetibilidade sem viés comercial.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

4.1 Filtros automotivos de cabine (ISO 11155-1)

Usam aerossóis sintéticos líquidos (DEHS/PAO) para eficiência fracionária e poeiras padronizadas (p. ex., ISO 12103-1 A2) para capacidade de poeira e Δp. A faixa de 0,1–3 µm é crítica para saúde e percepção de qualidade do ar.

Bancadas controlam vazão conforme o veículo e condição de instalação. A estabilidade do aerossol de teste e a neutralização da carga são determinantes para a reprodutibilidade interlaboratorial.

4.2 Filtros de admissão do motor (ISO 5011)

Enfase no acúmulo de massa, queda de eficiência ao longo da carga e evolução de pressão diferencial. Aerossóis minerais normatizados asseguram resultados comparáveis. Para investigação avançada, mede-se a eficiência por número em submicrométrico para entender mecanismos de penetração inicial.

4.3 HVAC, salas limpas e filtros HEPA e ULPA

EN 1822/ISO 29463 especificam MPPS e varredura de fugas com DEHS/PSL para filtros HEPA e ULPA. Em salas limpas, a combinação de fotometria e contagem de partículas com OPC de alta resolução verifica integridade e qualificação (ISO 14644).

4.4 Indústria farmacêutica e turbinas a gás

Na farmacêutica, o foco é conformidade GMP e integridade de barreiras com ensaios de fuga e Δp. Em turbinas a gás (ISO 29461-1), a resistência à névoa oleosa e ao sal requer aerossóis representativos e medição robusta de massa e número.

4.5 Ensaios de meios filtrantes

Para desenvolvimento de meios filtrantes, o uso de aerossóis sintéticos monodispersos permite isolar mecanismos de captura e construir curvas de eficiência fracionária. A combinação SMPS/APS abrange de poucos nanômetros a dezenas de micrômetros.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

5.1 Controle metrológico

• Calibração rastreável de vazão, Δp, concentração e tamanhos (PSL traçáveis).

• Verificação de zero e background; teste de estanqueidade do circuito.

• Neutralização de carga e validação da distribuição de Boltzmann.

5.2 Projeto de amostragem

• Amostragem isocinética e geometria de sondas para reduzir perdas por difusão e deposição.

• Minimizar comprimentos de linhas, ângulos agudos e transições abruptas.

• Correções de perdas por difusão/sedimentação conforme ISO/TR aplicável.

5.3 Geração e estabilidade do aerossol

• Selecionar material: DEHS/PAO para ótica; NaCl/KCl para elétrico; poeira A2 para gravimetria.

• Controlar concentração para evitar coincidência em OPC e saturação em CPC.

• Monitorar temperatura/umidade; higroscopicidade altera diâmetro efetivo.

5.4 Protocolos de ensaio e reprodutibilidade

1. Condicionar o filtro em vazão nominal até estabilizar a pressão diferencial.

2. Estabelecer concentração upstream alvo e verificar homogeneidade em múltiplos pontos.

3. Executar varredura de tamanhos para eficiência fracionária e registrar incertezas.

4. Para capacidade de poeira, aplicar ciclos carga-descanso e medir Δp vs. massa retida.

5. Documentar todos os setpoints e desvios; repetir corridas para estimar reprodutibilidade.

5.5 Normas e conformidade

Adotar ISO 11155-1 (cabine), ISO 5011 (admissão), ISO 16890 (HVAC), EN 1822/ISO 29463 (HEPA/ULPA), ISO 14644 (salas limpas) e ISO 29461-1 (turbinas). Aderir a requisitos de aerossol, vazões, critérios de aceitação e relatórios.

5.6 Seleção de sistemas de teste e medição

Especificar bancadas com integração nativa de gerador, neutralizador, diluição, espectrômetro de aerossol, OPC/CPC, fotômetro e Δp. Soluções modulares como sistemas TOPAS e equivalentes permitem migrar entre ótica, elétrica e gravimétrica sem reengenharia.

6. Conclusão Técnica

A adoção de aerossóis sintéticos em teste de filtros automotivos proporciona controle de granulometria e concentração, reduzindo incerteza e aumentando a reprodutibilidade. A escolha correta de método (fracionário, ótico, elétrico, gravimétrico) e o desenho adequado da bancada são determinantes para resultados confiáveis.

Equipamentos calibrados, protocolos alinhados a normas e atenção aos mecanismos de comportamento de partículas asseguram comparabilidade entre laboratórios e decisões de engenharia mais assertivas para meios filtrantes e produtos finais.

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