O que muda nos testes para filtros de turbina a gás

Subtítulo: Evolução dos métodos de ensaio para maior rastreabilidade, precisão e aderência a classes de partículas relevantes ao desempenho e à vida útil da turbina.

Resumo técnico: A transição de métricas globais para eficiência fracionária, associada a medições por contagem de partículas e espectrômetro de aerossol, altera o critério de aceitação e a infraestrutura necessária para garantir reprodutibilidade em filtros de entrada de ar de turbinas a gás.

1. Conceitos Fundamentais

Filtros de turbina a gás operam em condições severas: altas vazões, variação de umidade, aerossóis ambientais heterogêneos (poeira mineral, sais, fuligem, gotículas) e eventos transitórios (rajadas de poeira, neblina, maresia). O objetivo do teste de filtros nesse contexto é quantificar desempenho inicial e ao longo da carga, correlacionando retenção de partículas com impactos em pressão diferencial e disponibilidade operacional.

A eficiência de um filtro depende do comportamento de partículas em escoamentos através de meios fibrosos, com mecanismos dominantes por faixa de tamanho:

• Interceptação: partículas seguem linhas de corrente e tocam fibras quando seu raio efetivo se aproxima da fibra.

• Impacção inercial: partículas maiores desviam menos com o escoamento e colidem com fibras; cresce com velocidade e número de Stokes.

• Difusão Browniana: relevante para partículas ultrafinas; aumenta a probabilidade de colisão com fibras.

• Forças eletrostáticas: presentes em meios eletretos; elevam eficiência em certos regimes, porém podem sofrer depleção por carga/umidade.

O ponto crítico é o MPPS (Most Penetrating Particle Size), tipicamente na faixa submicrométrica, onde a eficiência é mínima. Em filtros de turbina, essa faixa pode ser decisiva para proteção contra erosão, incrustação e contaminação do compressor, especialmente quando há frações finas higroscópicas ou salinas.

Além da eficiência, a pressão diferencial inicial e sua evolução com carga de poeira determinam consumo energético do sistema de admissão e risco de bypass por colapso/vedação inadequada. Portanto, ensaios modernos tendem a integrar métricas de separação por tamanho, queda de pressão e capacidade de carga.

2. Métodos e Técnicas de Medição

O que “muda” nos ensaios é a migração de avaliações agregadas (massa total retida ou um único índice) para métodos que caracterizam a resposta do filtro ao longo do espectro de tamanhos e em condições de operação representativas. Em termos práticos, cresce a ênfase em:

• Eficiência fracionária: eficiência por faixas de diâmetro aerodinâmico/óptico, permitindo mapear MPPS e desempenho em partículas finas.

• Controle do aerossol de teste: estabilidade temporal, distribuição granulométrica, concentração e neutralização de carga.

• Rastreabilidade metrológica: calibração de sensores, incerteza de contagem e validação de amostragem isocinética.

Medição por contagem de partículas (upstream/downstream)

A abordagem de contagem de partículas compara concentrações a montante e a jusante do filtro, por classes de tamanho. A eficiência fracionária é calculada como:

Eficiência(d) = 1 − Cdown(d) / Cup(d)

Esse método é sensível à correta amostragem (perdas em linhas, difusão, deposição) e à coincidência em altas concentrações. Para turbinas, a alta vazão do elemento exige atenção ao posicionamento de tomadas, equalização de fluxo e integridade de vedação do porta-filtro, pois pequenas fugas dominam a medição.

Medição por espectrometria de aerossol

O espectrômetro de aerossol (óptico ou por mobilidade elétrica, conforme a faixa) fornece a análise granulométrica do aerossol e a distribuição por tamanhos. Instrumentos ópticos são comuns para faixas típicas de poeira ambiental; para ultrafinos, métodos por mobilidade podem ser mais adequados. Na prática industrial, a seleção do princípio depende do tamanho alvo (ex.: desempenho submicrométrico vs. partículas grossas associadas à erosão).

Aspectos críticos incluem índice de refração das partículas (impacta diâmetro óptico), alinhamento óptico, correção de coincidência e verificação de linearidade. Em aplicações de turbina, é frequente o uso de aerossóis padronizados (ex.: NaCl, DEHS/PAO, poeiras de teste) para garantir repetibilidade.

Métodos gravimétricos e de carga de poeira

Métodos gravimétricos (massa coletada) são úteis para avaliar capacidade de retenção e evolução de pressão diferencial, mas não descrevem diretamente o MPPS nem a eficiência em partículas finas. Em filtros de turbina, ensaios de carga podem ser conduzidos com poeiras normalizadas para simular ambientes desérticos/industriais, avaliando:

• ΔP inicial e ΔP vs. massa depositada

• Capacidade de carga até ΔP limite

• Risco de re-entrainment (re- suspensão) em pulsos/variações de vazão

Comparação conceitual entre métodos

3. Equipamentos Usados no Setor

Os ensaios modernos exigem sistemas de teste e medição integrados, com controle de vazão, geração de aerossol, condicionamento e instrumentação. Em laboratórios e linhas de produção, são comuns arquiteturas com módulos dedicados.

Geração e condicionamento do aerossol de teste

• Geradores de aerossol (NaCl, DEHS/PAO, poeiras): estabilidade de concentração e distribuição.

• Neutralizadores (quando aplicável): reduzem efeitos de carga eletrostática na deposição e na leitura de instrumentos.

• Condicionamento de ar: controle de temperatura/umidade para reduzir deriva e avaliar sensibilidade do meio filtrante.

Instrumentação de medição

• Contadores de partículas: medição upstream/downstream por classes, com atenção à faixa e ao limite de coincidência.

• Espectrômetro de aerossol: determinação da distribuição e suporte à eficiência fracionária.

• Transdutores de pressão: alta resolução para ΔP; compensação de temperatura e checagens de zero/span.

• Medição de vazão: elementos primários (bocal/orifício) ou medidores mássicos; estabilidade de controle é determinante.

Bancadas e sistemas automatizados (ex.: sistemas TOPAS)

Sistemas industriais e de laboratório, como plataformas TOPAS, tipicamente agregam automação de sequência, aquisição de dados, controle de vazão e integração com instrumentação de aerossóis. O papel técnico dessas plataformas é padronizar ciclos de teste, reduzir variabilidade operacional e melhorar reprodutibilidade entre turnos, laboratórios e lotes de fabricação.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Em turbinas a gás, filtros de admissão são frequentemente multietapas (pré-filtro + filtro fino + barreira final) e podem coexistir com requisitos de robustez mecânica e resistência a umidade. As mudanças nos testes refletem a necessidade de correlacionar desempenho do filtro com modos de falha do sistema:

• Ambientes costeiros: partículas salinas finas e gotículas podem atravessar etapas inadequadas; eficiência fracionária em submicrômetros e controle de umidade tornam-se críticos.

• Ambientes desérticos: maior fração de partículas grossas; ensaios de carga e erosão correlacionam-se com manutenção e ΔP.

• Áreas industriais: mistura de fuligem e poeira; distribuições multimodais exigem análise granulométrica para interpretar desempenho.

O tema também se conecta a outros segmentos. Em filtros HEPA e ULPA, a prática consolidada de testes por MPPS e integridade (associada a normas de ensaio como EN 1822) influencia a adoção de medições mais finas e rastreáveis. Já em HVAC e ar externo, ISO 16890 deslocou o foco para eficiência por frações (ePM1, ePM2.5, ePM10), reforçando o uso de medições fracionárias e classificações vinculadas à saúde e à operação.

Para meios filtrantes, ensaios em escala de material (flat sheet) permitem triagem de formulações (diâmetro de fibra, gramatura, carga eletreta, tratamento hidrofóbico) antes do teste em elemento completo. A compatibilização entre resultados de meio e do elemento final requer controle rigoroso de vazão superficial, vedação e efeito de pleats.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

A confiabilidade dos resultados depende mais do controle metrológico do que do instrumento isolado. Boas práticas recomendadas incluem:

• Controle de vazão e regime: manter vazão estável e representativa; documentar densidade do ar e correções.

• Amostragem correta: minimizar perdas em linhas, usar materiais adequados, reduzir comprimentos, evitar curvas desnecessárias e validar isocineticidade quando relevante.

• Gestão de concentração: evitar saturação/coincidência em contadores; ajustar diluição com rastreabilidade.

• Validação do aerossol de teste: verificar distribuição e estabilidade com espectrometria; registrar desvios por lote de aerossol.

• Pressão diferencial: usar transdutores com resolução e faixa adequadas; checar deriva e histerese; definir pontos de tomada consistentes.

• Integridade do porta-filtro: testes de estanqueidade do sistema; pequenas fugas reduzem artificialmente a eficiência medida.

• Incerteza e reprodutibilidade: executar repetição, calcular incerteza expandida e estabelecer critérios de aceitação por faixa de tamanho.

Erros comuns em ensaios de turbina incluem: comparar resultados obtidos com aerossóis diferentes sem normalização; ignorar efeito de umidade em meios eletretos; extrapolar eficiência fracionária de meio plano para elemento pregueado sem correções de velocidade local; e subestimar perdas de amostragem a jusante em baixas concentrações.

6. Conclusão Técnica

Os testes para filtros de turbina a gás mudam na direção de maior resolução por tamanho e maior controle do processo de medição. A adoção de eficiência fracionária, instrumentação baseada em contagem de partículas e espectrômetro de aerossol, além de protocolos robustos de ΔP e carga, eleva a capacidade de correlacionar resultados de laboratório com desempenho em campo.

Na prática, o ganho não é apenas “medir melhor”, mas reduzir incerteza, aumentar reprodutibilidade e suportar decisões de engenharia (seleção de mídia, arquitetura do filtro, limites de troca) com base em dados comparáveis e alinhados a normas de ensaio (ex.: ISO 16890, EN 1822, etc.) quando aplicáveis como referência de metodologia e rigor.

CTA Técnico Final

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