楊魏愷，叢曉民，趙林雙

(北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

近年來在全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛增長的背景下，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過快與相關(guān)消防配套設(shè)施研發(fā)周期短、不兼容等問題日益凸顯，引發(fā)了多起電動(dòng)汽車火災(zāi)事故[1]。從以往客車著火的報(bào)道中看，一旦發(fā)生火情，短短十幾秒就能夠讓火勢(shì)蔓延起來，車上的乘客很難迅速做出反應(yīng)并逃離，往往造成車內(nèi)人員傷亡及整車全部燒毀的后果。電動(dòng)汽車起火源大多為電動(dòng)汽車PACK內(nèi)的高比能動(dòng)力電池，因此開展動(dòng)力電池PACK安全防控(滅火)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有十分重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)電動(dòng)汽車的研究大多集中在電池燃燒特性、熱失控條件、火災(zāi)危險(xiǎn)性等機(jī)理方面[2-6]。近年來，電動(dòng)汽車的火災(zāi)防控與自動(dòng)滅火裝置的研究得到重視：楊琰等[7]開創(chuàng)了新的滅火技術(shù)路線—超細(xì)干粉加化學(xué)混合藥劑的物理+藥劑型滅火器，并推出IFC鋰電池自動(dòng)滅火系統(tǒng)；黃昊等[8]對(duì)電動(dòng)汽車專用自動(dòng)滅火裝置提出研究電池包特性、明確功能定位、統(tǒng)一驗(yàn)證方法等建議；曹文鏷等[9]對(duì)電動(dòng)汽車提出了在實(shí)際滅火中以大量的水作為滅火劑的建議并對(duì)火災(zāi)行動(dòng)實(shí)施給出意見；龔益民等[10]提出了利用單片機(jī)為智能控制核心，利用傳感器檢測(cè)電池組狀態(tài)，設(shè)計(jì)出電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組專用應(yīng)急滅火系統(tǒng)裝置。

當(dāng)前針對(duì)電動(dòng)汽車消防的研究仍存在不足，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)滅火裝置大多由傳統(tǒng)汽車消防系統(tǒng)改進(jìn)而來，裝置的專用化、小型化、整車配合性等仍存在問題。本文設(shè)計(jì)了1種內(nèi)置于電動(dòng)汽車PACK內(nèi)部的自動(dòng)滅火裝置，并探究裝置工作過程、滅火時(shí)間及降溫冷卻效率，為典型的空間小、區(qū)域封閉的電動(dòng)汽車PACK專用自動(dòng)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)部門的規(guī)范，模擬電動(dòng)汽車PACK所采用的滅火試驗(yàn)箱尺寸為1 000 mm×800 mm×300 mm(箱蓋尺寸為1 000 mm×800 mm×20 mm)，試驗(yàn)平臺(tái)簡圖如圖 1 所示。采用正庚烷模擬火源，感溫自啟動(dòng)滅火管采用外徑10 mm，溫度60～100 ℃，長度2.5 m，利用管壁受熱破裂，在內(nèi)部儲(chǔ)存壓力的驅(qū)動(dòng)下破口釋放滅火劑進(jìn)行局部滅火。根據(jù)相關(guān)研究[11-12]，選用全氟己酮或六氟丙烷作為滅火劑：全氟己酮常溫為液態(tài)，沸點(diǎn)49 ℃；六氟丙烷常溫下為無色無味氣態(tài)物質(zhì)，在每次試驗(yàn)中預(yù)先封入188 g的全氟己酮或者163 g六氟丙烷滅火劑。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段將滅火劑(Novec 1230或R236fa)充裝至滅火管內(nèi)，兩端密封，并用N2填充至設(shè)定壓力值，一端接入壓力傳感器。然后將滅火管排布并固定至試驗(yàn)箱蓋上，設(shè)置熱電偶測(cè)量管壁溫度；箱體內(nèi)設(shè)定好火源位置，打開照明燈帶，調(diào)整好攝像頭，布置火源及環(huán)境測(cè)量熱電偶。同時(shí)，將熱電偶及壓力傳感器連接到無紙記錄儀，攝像頭連接電腦端，試驗(yàn)準(zhǔn)備結(jié)束。最后，打開記錄設(shè)備，引燃油盤，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試階段。

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究感溫自啟動(dòng)滅火管系統(tǒng)針對(duì)庚烷火的響應(yīng)行為以及滅火性能，本文共設(shè)計(jì)了18種工況，設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 工況設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of working conditions design

火源類型與油盤設(shè)置如圖2所示，中心火與角落火使用1個(gè)#1(200 mm×200 mm)油盤分別放置在箱體中央處與角落處，多點(diǎn)火使用6個(gè)#2(100 mm×100 mm)油盤均勻放置在箱體底面，呈對(duì)稱分布。此處使用精度為0.1 ℃的K型鎧裝微細(xì)熱電偶(最高值設(shè)定為840 ℃)，共設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，用間隔100 mm的CH1～CH3組成的熱電偶樹，來監(jiān)測(cè)火焰上方溫度的變化，見圖1；CH4～CH6分別用來測(cè)量角落與側(cè)壁(寬壁和長壁)中點(diǎn)處箱內(nèi)環(huán)境溫度變化；CH7～CH12為滅火管管壁溫度測(cè)量點(diǎn)，用細(xì)絲熱電偶緊貼壁面并用錫紙貼固定住，以減小溫度場畸變的影響[13]，排布位置如圖2所示。

圖2 箱蓋處滅火管測(cè)溫點(diǎn)排布Fig.2 Arrangement of temperature measurement points of fire extinguishing pipe at chamber cover

2 結(jié)果與討論

2.1 滅火時(shí)間

不同工況條件滅火管系統(tǒng)的滅火時(shí)間如圖3所示。試驗(yàn)表明，2種滅火管系統(tǒng)均在60 s內(nèi)成功滅火，且R236fa滅火管系統(tǒng)均在20 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)滅火，滅火時(shí)間明顯短于Novec 1230滅火管系統(tǒng)。滅火管內(nèi)充裝壓力的增加對(duì)總滅火時(shí)間呈正作用，可以縮短滅火時(shí)間。相比于R236fa滅火管系統(tǒng)，壓力的增加對(duì)Novec 1230滅火管系統(tǒng)的滅火時(shí)間正作用更大，時(shí)間縮短作用更加明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)火源類型作為唯一變量時(shí)，多點(diǎn)火所需滅火時(shí)間最長，中心火次之，角落火最短。滅火劑在管內(nèi)的相態(tài)與充裝壓力共同造成此現(xiàn)象[14-15]：常溫下R236fa為氣態(tài)，Novec 1230為兩相流(氣態(tài)和液態(tài))，因此在管中的沿程阻力損失更大，預(yù)熱時(shí)間長；充裝壓力對(duì)Novec 1230的噴射速率影響較大：壓力越大，速率越大，時(shí)間越短。

圖3 2種滅火管系統(tǒng)的滅火時(shí)間Fig.3 Fire extinguishing times of two fire extinguishing pipe systems

2.2 破裂動(dòng)作溫度

不同工況下，感溫自啟動(dòng)滅火管系統(tǒng)自油盤引燃后的溫度與破裂處最相近測(cè)溫點(diǎn)的管壁溫度變化情況如圖4所示。滅火管由于火焰灼燒受熱管壁溫度持續(xù)增加，當(dāng)管壁溫度達(dá)到或者即將達(dá)到峰值時(shí)滅火管破裂，釋放滅火劑，隨后在滅火劑的冷卻降溫作用下管壁溫度持續(xù)下降。圖4(a)中心火時(shí)，CH7熱電偶處于火源正上方，能較準(zhǔn)確的反映出火焰灼燒下滅火管火源上方局部管段壁面的溫度，此時(shí)管壁破裂溫度均高于100 ℃，其中不充壓和充壓0.88 MPa工況下的管壁破裂溫度處于220～340 ℃之間，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)管壁破裂動(dòng)作溫度；圖4(b)角落火時(shí)，選擇與火源中心有一定距離的CH10作為記錄點(diǎn)，其測(cè)量值可以很好地反映出受熱段管壁溫度變化，但測(cè)量值整體偏小，此時(shí)測(cè)得管壁破裂溫度處于80～130 ℃之間，試驗(yàn)管壁真實(shí)破裂點(diǎn)均處于CH10與CH11滅火管段的轉(zhuǎn)角處，故實(shí)際管壁破裂動(dòng)作溫度應(yīng)高于CH10溫度區(qū)間；圖4(c)多點(diǎn)火時(shí)，火源數(shù)量多，滅火管破口位置不能確定，根據(jù)實(shí)際破口位置選取最近測(cè)溫點(diǎn)數(shù)值作為管壁破裂溫度值，實(shí)際管壁破裂溫度值均高于110 ℃，同時(shí)由于火源數(shù)量多，滅火管管壁測(cè)溫點(diǎn)CH7～CH12的其他熱電偶值均與破裂處熱電偶值相差較小。試驗(yàn)表明在設(shè)定工況下，2種滅火管系統(tǒng)均能達(dá)到或超過滅火管設(shè)計(jì)破裂溫度范圍值，在有火源時(shí)，滅火管能夠動(dòng)作，管壁破裂，釋放滅火劑。

圖4 破裂動(dòng)作溫度變化Fig.4 Change of fracture action temperature

2.3 降溫冷卻

圖5～6分別為中心火與角落火時(shí)，油盤上方及周圍環(huán)境的溫度變化。單一火源(中心火與角落火)時(shí)，在感溫滅火管系統(tǒng)破裂動(dòng)作的瞬間，油盤上方溫度隨即開始降低，但周圍環(huán)境溫度經(jīng)過短暫升高后才呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。與R236fa滅火管系統(tǒng)對(duì)比，不充壓與充壓0.88 MPa時(shí)，Novec 1230滅火管系統(tǒng)的油盤上方溫度更高，且持續(xù)時(shí)間更長；充壓1.81 MPa時(shí)，2種滅火管系統(tǒng)油盤上方溫度變化相似，降溫效果接近。但隨著充壓值的增大，Novec 1230滅火管系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境溫度的降溫冷卻作用加強(qiáng)，特別是當(dāng)充壓1.81 MPa時(shí)，其對(duì)周圍環(huán)境溫度的降溫效果遠(yuǎn)好于R236fa滅火管系統(tǒng)。此情況主要是因?yàn)殡S著充壓的增大，Novec 1230滅火管系統(tǒng)的滅火時(shí)間縮短，火焰升溫時(shí)間短，同時(shí)內(nèi)部N2流驅(qū)動(dòng)力增大使得Novec 1230實(shí)際使用率提高，滅火濃度增大，降溫冷卻作用增強(qiáng)。

圖5 油盤上方及周圍環(huán)境溫度變化-中心火Fig.5 Temperature change above oil pan and ambient environment-center fire

圖7為多點(diǎn)火時(shí)，油盤上方及周圍環(huán)境的溫度變化。6個(gè)油盤均勻分布在箱體，使得整個(gè)箱體的溫度場變化相似，呈現(xiàn)出火源存在時(shí)升溫，滅火管系統(tǒng)動(dòng)作后溫度下降的變化。R236fa滅火管系統(tǒng)滅火時(shí)間短，箱體內(nèi)溫度并未上升至最高點(diǎn)便動(dòng)作滅火，抑制了箱體的內(nèi)部溫度；Novec 1230滅火管系統(tǒng)滅火時(shí)間較R236fa滅火管系統(tǒng)更長，使得升溫時(shí)間變長。同時(shí)，多點(diǎn)火使得整根滅火管得到充分的受熱，內(nèi)部Novec 1230汽化更加充分，Novec 1230實(shí)際使用率在80%以上，滅火濃度遠(yuǎn)高于規(guī)定值，當(dāng)其動(dòng)作滅火時(shí)，展現(xiàn)出了比R236fa滅火管系統(tǒng)更加良好的冷卻降溫效果。

2種滅火管系統(tǒng)降溫冷卻效果的不同主要與充壓條件和火源條件相關(guān)。當(dāng)不充壓或者充壓0.88 MPa時(shí)，R236fa滅火管系統(tǒng)較Novec 1230滅火管系統(tǒng)的降溫冷卻效果更強(qiáng)，此現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于管內(nèi)滅火劑相態(tài)的不同[14-15]，常溫下R236fa為氣態(tài)，Novec 1230為兩相流(氣態(tài)和液態(tài))，因此在管中的沿程阻力損失更大，實(shí)際參與降溫冷卻的Novec 1230遠(yuǎn)小于填充量。當(dāng)充壓值為1.81 MPa時(shí)，影響降溫冷卻效果的主要因素由相態(tài)造成的沿程阻力變?yōu)闇缁饎┳陨砦锘再|(zhì)，此時(shí)Novec 1230汽化吸熱與滅火濃度低的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)[16]，所以Novec 1230滅火管系統(tǒng)得以展現(xiàn)出比R236fa滅火管系統(tǒng)更好的降溫冷卻作用效果。

3 結(jié)論

1)2種滅火管系統(tǒng)均在60 s內(nèi)成功滅火，且R236fa滅火管系統(tǒng)滅火時(shí)間更短，均在20 s內(nèi)。壓升對(duì)縮短N(yùn)ovec 1230滅火管系統(tǒng)的滅火時(shí)間具有明顯正作用，對(duì)R236fa滅火管系統(tǒng)仍有縮短時(shí)間效果但相對(duì)較小。

圖6 油盤上方及周圍環(huán)境溫度變化-角落火Fig.6 Temperature change above oil pan and ambient environment-corner fire

圖7 油盤上方及周圍環(huán)境溫度變化-多點(diǎn)火Fig.7 Temperature change above oil pan and ambient environment-multiple points fire

2)滅火管在管壁溫度達(dá)到或者即將達(dá)到峰值時(shí)破裂，動(dòng)作溫度均在80 ℃以上。

3)充壓值較低(0與0.88 MPa)時(shí)，2種滅火管系統(tǒng)油盤上方溫度變化相似，降溫效果接近；當(dāng)充壓值較大(1.81 MPa)時(shí)，Novec 1230滅火管系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境溫度的降溫冷卻作用加強(qiáng)，且比R236fa滅火管系統(tǒng)更強(qiáng)。