感温自启动灭火管系统应用于密闭空间的试验研究*

2019-12-12杨魏恺丛晓民赵林双

中国安全生产科学技术 2019年11期

杨魏恺，丛晓民，赵林双

(北京理工大学机电学院爆炸科学与技术国家重点试验室，北京 100081)

0 引言

近年来在全球新能源汽车产业迅猛增长的背景下，电动汽车产业发展过快与相关消防配套设施研发周期短、不兼容等问题日益凸显，引发了多起电动汽车火灾事故[1]。从以往客车着火的报道中看，一旦发生火情，短短十几秒就能够让火势蔓延起来，车上的乘客很难迅速做出反应并逃离，往往造成车内人员伤亡及整车全部烧毁的后果。电动汽车起火源大多为电动汽车PACK内的高比能动力电池，因此开展动力电池PACK安全防控(灭火)系统设计研究具有十分重要的意义。

国内外学者们针对电动汽车的研究大多集中在电池燃烧特性、热失控条件、火灾危险性等机理方面[2-6]。近年来，电动汽车的火灾防控与自动灭火装置的研究得到重视：杨琰等[7]开创了新的灭火技术路线—超细干粉加化学混合药剂的物理+药剂型灭火器，并推出IFC锂电池自动灭火系统；黄昊等[8]对电动汽车专用自动灭火装置提出研究电池包特性、明确功能定位、统一验证方法等建议；曹文镤等[9]对电动汽车提出了在实际灭火中以大量的水作为灭火剂的建议并对火灾行动实施给出意见；龚益民等[10]提出了利用单片机为智能控制核心，利用传感器检测电池组状态，设计出电动汽车动力电池组专用应急灭火系统装置。

当前针对电动汽车消防的研究仍存在不足，所设计的自动灭火装置大多由传统汽车消防系统改进而来，装置的专用化、小型化、整车配合性等仍存在问题。本文设计了1种内置于电动汽车PACK内部的自动灭火装置，并探究装置工作过程、灭火时间及降温冷却效率，为典型的空间小、区域封闭的电动汽车PACK专用自动灭火系统的设计提供参考。

1 试验部分

1.1 试验设计

根据国内相关部门的规范，模拟电动汽车PACK所采用的灭火试验箱尺寸为1 000 mm×800 mm×300 mm(箱盖尺寸为1 000 mm×800 mm×20 mm)，试验平台简图如图 1 所示。采用正庚烷模拟火源，感温自启动灭火管采用外径10 mm，温度60～100 ℃，长度2.5 m，利用管壁受热破裂，在内部储存压力的驱动下破口释放灭火剂进行局部灭火。根据相关研究[11-12]，选用全氟己酮或六氟丙烷作为灭火剂：全氟己酮常温为液态，沸点49 ℃；六氟丙烷常温下为无色无味气态物质，在每次试验中预先封入188 g的全氟己酮或者163 g六氟丙烷灭火剂。

图1 试验平台示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

试验准备阶段将灭火剂(Novec 1230或R236fa)充装至灭火管内，两端密封，并用N2填充至设定压力值，一端接入压力传感器。然后将灭火管排布并固定至试验箱盖上，设置热电偶测量管壁温度；箱体内设定好火源位置，打开照明灯带，调整好摄像头，布置火源及环境测量热电偶。同时，将热电偶及压力传感器连接到无纸记录仪，摄像头连接电脑端，试验准备结束。最后，打开记录设备，引燃油盘，进行试验测试阶段。

1.2 试验方案

为了研究感温自启动灭火管系统针对庚烷火的响应行为以及灭火性能，本文共设计了18种工况，设置参数见表1。

表1 工况设计参数Table 1 Parameters of working conditions design

火源类型与油盘设置如图2所示，中心火与角落火使用1个#1(200 mm×200 mm)油盘分别放置在箱体中央处与角落处，多点火使用6个#2(100 mm×100 mm)油盘均匀放置在箱体底面，呈对称分布。此处使用精度为0.1 ℃的K型铠装微细热电偶(最高值设定为840 ℃)，共设置12个测点，用间隔100 mm的CH1～CH3组成的热电偶树，来监测火焰上方温度的变化，见图1；CH4～CH6分别用来测量角落与侧壁(宽壁和长壁)中点处箱内环境温度变化；CH7～CH12为灭火管管壁温度测量点，用细丝热电偶紧贴壁面并用锡纸贴固定住，以减小温度场畸变的影响[13]，排布位置如图2所示。

图2 箱盖处灭火管测温点排布Fig.2 Arrangement of temperature measurement points of fire extinguishing pipe at chamber cover

2 结果与讨论

2.1 灭火时间

不同工况条件灭火管系统的灭火时间如图3所示。试验表明，2种灭火管系统均在60 s内成功灭火，且R236fa灭火管系统均在20 s内实现灭火，灭火时间明显短于Novec 1230灭火管系统。灭火管内充装压力的增加对总灭火时间呈正作用，可以缩短灭火时间。相比于R236fa灭火管系统，压力的增加对Novec 1230灭火管系统的灭火时间正作用更大，时间缩短作用更加明显。试验结果表明，当火源类型作为唯一变量时，多点火所需灭火时间最长，中心火次之，角落火最短。灭火剂在管内的相态与充装压力共同造成此现象[14-15]：常温下R236fa为气态，Novec 1230为两相流(气态和液态)，因此在管中的沿程阻力损失更大，预热时间长；充装压力对Novec 1230的喷射速率影响较大：压力越大，速率越大，时间越短。

图3 2种灭火管系统的灭火时间Fig.3 Fire extinguishing times of two fire extinguishing pipe systems

2.2 破裂动作温度

不同工况下，感温自启动灭火管系统自油盘引燃后的温度与破裂处最相近测温点的管壁温度变化情况如图4所示。灭火管由于火焰灼烧受热管壁温度持续增加，当管壁温度达到或者即将达到峰值时灭火管破裂，释放灭火剂，随后在灭火剂的冷却降温作用下管壁温度持续下降。图4(a)中心火时，CH7热电偶处于火源正上方，能较准确的反映出火焰灼烧下灭火管火源上方局部管段壁面的温度，此时管壁破裂温度均高于100 ℃，其中不充压和充压0.88 MPa工况下的管壁破裂温度处于220～340 ℃之间，远高于设计管壁破裂动作温度；图4(b)角落火时，选择与火源中心有一定距离的CH10作为记录点，其测量值可以很好地反映出受热段管壁温度变化，但测量值整体偏小，此时测得管壁破裂温度处于80～130 ℃之间，试验管壁真实破裂点均处于CH10与CH11灭火管段的转角处，故实际管壁破裂动作温度应高于CH10温度区间；图4(c)多点火时，火源数量多，灭火管破口位置不能确定，根据实际破口位置选取最近测温点数值作为管壁破裂温度值，实际管壁破裂温度值均高于110 ℃，同时由于火源数量多，灭火管管壁测温点CH7～CH12的其他热电偶值均与破裂处热电偶值相差较小。试验表明在设定工况下，2种灭火管系统均能达到或超过灭火管设计破裂温度范围值，在有火源时，灭火管能够动作，管壁破裂，释放灭火剂。

图4 破裂动作温度变化Fig.4 Change of fracture action temperature

2.3 降温冷却

图5～6分别为中心火与角落火时，油盘上方及周围环境的温度变化。单一火源(中心火与角落火)时，在感温灭火管系统破裂动作的瞬间，油盘上方温度随即开始降低，但周围环境温度经过短暂升高后才呈现出下降趋势。与R236fa灭火管系统对比，不充压与充压0.88 MPa时，Novec 1230灭火管系统的油盘上方温度更高，且持续时间更长；充压1.81 MPa时，2种灭火管系统油盘上方温度变化相似，降温效果接近。但随着充压值的增大，Novec 1230灭火管系统对周围环境温度的降温冷却作用加强，特别是当充压1.81 MPa时，其对周围环境温度的降温效果远好于R236fa灭火管系统。此情况主要是因为随着充压的增大，Novec 1230灭火管系统的灭火时间缩短，火焰升温时间短，同时内部N2流驱动力增大使得Novec 1230实际使用率提高，灭火浓度增大，降温冷却作用增强。

图5 油盘上方及周围环境温度变化-中心火Fig.5 Temperature change above oil pan and ambient environment-center fire

图7为多点火时，油盘上方及周围环境的温度变化。6个油盘均匀分布在箱体，使得整个箱体的温度场变化相似，呈现出火源存在时升温，灭火管系统动作后温度下降的变化。R236fa灭火管系统灭火时间短，箱体内温度并未上升至最高点便动作灭火，抑制了箱体的内部温度；Novec 1230灭火管系统灭火时间较R236fa灭火管系统更长，使得升温时间变长。同时，多点火使得整根灭火管得到充分的受热，内部Novec 1230汽化更加充分，Novec 1230实际使用率在80%以上，灭火浓度远高于规定值，当其动作灭火时，展现出了比R236fa灭火管系统更加良好的冷却降温效果。

2种灭火管系统降温冷却效果的不同主要与充压条件和火源条件相关。当不充压或者充压0.88 MPa时，R236fa灭火管系统较Novec 1230灭火管系统的降温冷却效果更强，此现象的产生主要是由于管内灭火剂相态的不同[14-15]，常温下R236fa为气态，Novec 1230为两相流(气态和液态)，因此在管中的沿程阻力损失更大，实际参与降温冷却的Novec 1230远小于填充量。当充压值为1.81 MPa时，影响降温冷却效果的主要因素由相态造成的沿程阻力变为灭火剂自身物化性质，此时Novec 1230汽化吸热与灭火浓度低的优势展现[16]，所以Novec 1230灭火管系统得以展现出比R236fa灭火管系统更好的降温冷却作用效果。