民機(jī)貨艙變壓環(huán)境下多種新型清潔滅火劑對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э刈饔锰匦?/h1>
2020-11-09 03:38沈俊杰賀元驊王海斌陳現(xiàn)濤
科學(xué)技術(shù)與工程 2020年27期
沈俊杰， 賀元驊， 王海斌， 郭 君， 陳現(xiàn)濤
(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院， 廣漢 618307)
鋰離子電池(以下簡(jiǎn)稱鋰電池)憑借其較大的儲(chǔ)電容量、較高的能量功率密度、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，鋰電池航空運(yùn)輸量劇增，導(dǎo)致民航運(yùn)輸鋰電池的事故頻發(fā)[1]。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA(Federal Aviation Administration)報(bào)告顯示，1991年1月—2019年8月，涉及鋰電池的運(yùn)輸不安全事件記錄在案共265起[2]。多數(shù)事件是由于鋰電池?zé)崾Э匾鸬幕馂?zāi)，鋰電池不同于傳統(tǒng)電池，一旦發(fā)生熱失控鋰電池將釋放可燃?xì)怏w，噴射出可燃電解質(zhì)，造成起火燃爆事故，嚴(yán)重影響民航的安全運(yùn)輸[3]。當(dāng)前，中外仍廣泛使用傳統(tǒng)機(jī)載哈龍(Halo)滅火劑來(lái)?yè)錅玟囯姵鼗馂?zāi)，但其存在易復(fù)燃和破壞臭氧層等缺點(diǎn)。國(guó)際民航組織(ICAO)正在積極推動(dòng)各國(guó)淘汰哈龍滅火劑，采用其替代滅火劑?，F(xiàn)有哈龍?zhí)娲鷾缁饎┲饕?-溴-3,3,3-三氟丙烯(2-bromo-3,3,3trifluoropropene，2-BTP)、全氟己酮(perfluorohexanone，Novec1230)、細(xì)水霧等。
目前，關(guān)于鋰電池在變壓環(huán)境下熱失控特性和滅火技術(shù)的研究較少。鄧志彬等[4]對(duì)比常壓和低壓環(huán)境下鋰離子電池?zé)崾Э氐奶匦?，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池在低壓環(huán)境下的熱失控溫度低于常壓環(huán)境；賀元驊等[5]研究了低壓環(huán)境下不同電荷量鋰離子電池的熱失控特性，結(jié)果表明隨著荷電量的增加，鋰離子電池?zé)崾Э睾难趿考眲∩仙?，同時(shí)CO生成量顯著上升；Wang等[6]研究了七氟丙烷(HFC-227ea)對(duì)抑制鈦酸鋰電池火的有效性，發(fā)現(xiàn)HFC-227ea能有效撲滅電池火，提出在滅火時(shí)，應(yīng)盡早使用并持續(xù)一段時(shí)間，防止復(fù)燃；Liu等[7]對(duì)大容量鋰離子電池滅火實(shí)驗(yàn)研究中使用Novec1230，結(jié)果表明Novec1230可在短時(shí)間內(nèi)滅火，其滅火效果與施加的劑量有關(guān)。
在上述有關(guān)鋰離子電池滅火研究中，都是在常壓環(huán)境下進(jìn)行的，而在飛機(jī)貨艙中鋰電池在航空運(yùn)輸途中是處于變壓環(huán)境的，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在民機(jī)典型的工作環(huán)境包括起飛降落、爬升和巡航階段的環(huán)境壓力分別為80、60、40 kPa下進(jìn)行。此外，鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生燃爆起火過(guò)程涉及相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程。例如，負(fù)極材料的燃燒會(huì)產(chǎn)生A類火，有機(jī)電解質(zhì)的燃燒產(chǎn)生B類火，隔膜分解可燃?xì)怏w并產(chǎn)生C類火，金屬鋰的燃燒產(chǎn)生D類火，因此選用多種滅火劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？紤]到水的冷卻效果好，以及哈龍滅火劑對(duì)環(huán)境的污染，選擇細(xì)水霧和Novec1230、2-BTP這兩種新型的清潔高效滅火劑進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
(1)動(dòng)壓變溫實(shí)驗(yàn)艙：內(nèi)部尺寸為2 m(長(zhǎng))×2 m(寬)×2 m(高)，可以模擬從常壓至極限高度為15 000 m、環(huán)境壓力為10 kPa的壓力范圍，且壓力誤差不超過(guò)0.1 kPa。實(shí)驗(yàn)艙的變壓速率為0 ～ 22.48 kPa/min，變壓速率可調(diào)節(jié)，通常設(shè)定為4.0～9.0 kPa/min。實(shí)驗(yàn)艙的實(shí)物如圖1(a)所示。此外，為模擬相對(duì)封閉的機(jī)艙環(huán)境，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部安裝了一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)箱，用于放置鋰電池固定裝置和滅火劑釋放裝置。
(2)氣體測(cè)試系統(tǒng)：該氣體測(cè)試裝置可以測(cè)量CO、CO2和O2，測(cè)試誤差不超過(guò)1%，如圖1(b)所示。
(3)雙流體細(xì)水霧系統(tǒng)：細(xì)水霧產(chǎn)生系統(tǒng)主要由水路、氣路和水霧噴霧器組成，包括空氣壓縮機(jī)，高壓儲(chǔ)氣裝置和管道系統(tǒng)。系統(tǒng)示意圖如圖1(c)所示。 該系統(tǒng)由Prius螺桿空氣壓縮機(jī)(設(shè)定壓力為1.25 MPa)、鋼制儲(chǔ)氣罐、智能水泵自動(dòng)控制器、氣體(液體)流量計(jì)、水噴霧器和管道組成。該系統(tǒng)使用低壓雙流體噴霧器，霧化錐角為15°，干燥空氣為霧化氣體。氣體流速和液體流速設(shè)計(jì)為50 LPM(liter per minute)和0.3 LPM，并且流速由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。
(4)自制的可充裝式滅火器：利用氮?dú)饧訅悍绞匠溲bNovec1230和2-BTP。 在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將Novec1230和2-BTP封閉在2 000 mL滅火器中，并充入氮?dú)?，使壓力達(dá)到2.5 MPa，如圖1(d)所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備Fig.1 Experimental platform equipment
1.2 實(shí)驗(yàn)用新型清潔滅火劑
(1) 細(xì)水霧：通過(guò)將兩流體的氣體壓力調(diào)整為0.4 MPa，并將水壓力調(diào)整為0.28 MPa，以獲得霧滴直徑DV(90)為92.82 μm的細(xì)水霧，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，無(wú)毒，主要的滅火機(jī)理為降溫冷卻。
(2) Novec1230：美國(guó)3M公司開(kāi)發(fā)的一種新型滅火劑。其分子式為CF3CF2COCF(CF3)2，不含氯元素，是一種低毒的滅火劑，滅火后不會(huì)破壞臭氧層。在室溫下為無(wú)色無(wú)味液體，通過(guò)高壓充裝并釋放，易氣化，釋放后無(wú)殘留。滅火的主要機(jī)理是化學(xué)抑制作用，還具有冷卻作用。
1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
1.3.1 電池組的布置
選用力神21700型鋰電池(3.7 V和4 000 mA·h)。根據(jù)先前的實(shí)驗(yàn)，在常壓下，電池組中的第1個(gè)電池的熱失控可以通過(guò)熱傳播使第2、第3個(gè)電池?zé)崾Э?，因此在此?shí)驗(yàn)中，電池排列方式為1×3，如圖2(a)。實(shí)驗(yàn)的熱電偶選擇針式K型鎧裝熱電偶(1 mm)，并排列1～3#電池，如圖2所示。
圖2 電池布置Fig.2 Arrangement of batteries
1.3.2 整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建
如圖3所示，將固定21700型鋰電池的裝置放于艙中的小型實(shí)驗(yàn)箱(50 mm×50 mm×80 mm)內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求來(lái)設(shè)置艙室內(nèi)的壓力。當(dāng)機(jī)艙內(nèi)的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)，使用如圖2(a)的250 W電熱片進(jìn)行加熱，使鋰電池發(fā)生熱失控，并通過(guò)K型熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量3個(gè)電池的表面溫度。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體通過(guò)集氣罩收集并通過(guò)煙氣測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分析。滅火劑噴霧器置于電池上方10 cm處，并以180°釋放滅火劑。噴頭通過(guò)高壓鋼管與機(jī)艙外部的滅火劑儲(chǔ)存箱相連，滅火劑中充滿壓力為2.5 MPa的N2。在機(jī)艙頂部的電磁閥的控制下釋放滅火劑。同時(shí)，噴出的兩液水霧也直接放在電池上方10 cm處。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄，該攝像機(jī)直接位于機(jī)艙中電池的前面。
1.3.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置
如表1所示，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的設(shè)定的壓力包括80、60、40 kPa的3個(gè)壓力梯度，模擬貨機(jī)在起降、爬升和巡航3個(gè)飛行階段的貨艙環(huán)境壓力。在每種壓力梯度下，分別進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)設(shè)置，如空白試驗(yàn)(無(wú)滅火劑釋放)，釋放2-BTP、Novec1230和細(xì)水霧[DV(90)=92.82 μm]。每個(gè)小組重復(fù)3次，以免因出現(xiàn)偶然性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
2.1 電池火行為現(xiàn)象分析
2.1.1 空白組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
圖4為80 kPa時(shí)的空白實(shí)驗(yàn)。從圖4可以看出，在電加熱裝置對(duì)電池加熱256 s后，1號(hào)電池頂部開(kāi)始產(chǎn)生大量濃煙，這是由于電池內(nèi)部積聚了足夠的熱量以分解電解質(zhì)和負(fù)極的(固體電解質(zhì)界面SEI)膜，正極的材料也開(kāi)始分解觸發(fā)短路，產(chǎn)生的CO、H2和烷烴類混合可燃性氣體[8]及固體可燃顆粒物。隨著大量氣體在電池內(nèi)部的不斷積聚，壓力劇增，使頂部安全閥開(kāi)啟，大量可燃顆粒物瞬間噴射出來(lái)，在270 s時(shí)發(fā)生劇烈燃爆，如圖4(b)所示。燃爆后2 s，頂部形成電池火，并持續(xù)燃燒37 s后熄滅，這是由于電池內(nèi)部反應(yīng)還在進(jìn)行，大量可燃性氣體從電池中連續(xù)釋放出來(lái)，并與外部的氧氣混合后被點(diǎn)燃，待可燃性氣體釋放殆盡后火焰熄滅。在1號(hào)電池發(fā)生燃爆273 s后，2號(hào)電池也發(fā)生了燃爆，這是因?yàn)樵?號(hào)電池燃爆后溫度達(dá)到峰值，比2號(hào)電池的溫度高得多，所以1號(hào)電池不斷地將熱量傳遞到2號(hào)電池，導(dǎo)致2號(hào)電池的溫度持續(xù)升高，發(fā)生熱失控。同樣由于2號(hào)與3號(hào)電池之間的熱傳播，在2號(hào)電池燃爆144 s后，3號(hào)電池繼續(xù)發(fā)生燃爆。
圖4 空白實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(80 kPa)Fig.4 The phenomena of blank test (80 kPa)
當(dāng)環(huán)境壓力為60、40 kPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與 80 kPa 的實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格保持一致。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果。
(1)隨著環(huán)境壓力的下降，電池?zé)崾Э匕l(fā)生燃爆所需的時(shí)間將增加，如表2所示，這是由于在低壓低氧含量的環(huán)境中，電池內(nèi)不充分燃燒反應(yīng)，積蓄熱量使電池燃爆需要更長(zhǎng)的時(shí)間[9]。
(2)如圖5所示，隨著環(huán)境壓力的下降，電池發(fā)生燃爆的劇烈程度減弱，噴射出的火花亮度明顯減弱。這是由于壓力越低，周圍空氣中氧含量越低，噴射出來(lái)的可燃物燃燒越不充分[10]。
2.1.2 滅火劑滅火實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
環(huán)境壓力為80 kPa時(shí)，當(dāng)1號(hào)電池發(fā)生熱失控
表2 電池?zé)崾Э貢r(shí)間
圖5 不同壓力下燃爆起火現(xiàn)象Fig.5 The phenomenon of burning and igniting under different pressures
燃爆，噴射出高亮火花，滅火系統(tǒng)立即被觸發(fā)，以2.5 MPa壓力從正上方釋放600 mL 2-BTP滅火劑，如圖6所示，滅火劑在高壓作用下瞬間霧化，將電池完全覆蓋，有效壓制了從安全閥持續(xù)噴射出來(lái)的燃燒的可燃物質(zhì)，2 s后火花被完全撲滅。在滅火劑釋放完全后，1號(hào)電池外部的金屬外殼從紅色變?yōu)榛野咨?，使電池表面快速冷卻。由于電池內(nèi)部的燃燒物質(zhì)已在滅火劑的作用下熄滅，因此此后沒(méi)有發(fā)生復(fù)燃。同時(shí)，滅火劑的釋放有效阻止了電池間熱量的傳遞，2號(hào)和3號(hào)電池都未發(fā)生熱失控燃爆。在60、40 kPa時(shí)釋放2-BTP與80 kPa的滅火過(guò)程類似。
圖6 釋放2-BTP滅火現(xiàn)象(80 kPa)Fig.6 The Phenomena after releasing 2-BTP to extinguish fire(80 kPa)
同樣，在80、60、40 kPa環(huán)境壓力下，在1號(hào)電池?zé)崾Э厝急查g釋放Novec1230和細(xì)水霧，在滅火劑釋放完全前都能夠有效撲滅火花，之后1號(hào)電池沒(méi)有復(fù)燃。一段時(shí)間后，2號(hào)和3號(hào)電池也都沒(méi)有發(fā)生連續(xù)熱失控燃爆。以上3種滅火劑在不同環(huán)境壓力下的滅火時(shí)間比較如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果。
圖7 撲滅火花所需時(shí)間Fig.7 The time to extinguish spark
(1)隨著環(huán)境壓力的下降，滅火時(shí)間逐漸減少。這是由于相比于60、80、40 kPa時(shí)的燃爆強(qiáng)度較弱，燃爆產(chǎn)生的火花范圍較小，因此所需的滅火時(shí)間最少。
(2)2-BTP是3種滅火劑中滅火效果最好的，相同環(huán)境壓力下，撲滅明火所需時(shí)間最少，而Novec1230滅火效果要優(yōu)于細(xì)水霧。
2.2 降溫冷卻效果分析
空白實(shí)驗(yàn)中，鋰電池受熱后發(fā)生熱失控時(shí)的溫度變化可分為三個(gè)階段，以80 kPa為例，如圖8(a)所示。第一階段：1號(hào)電池被加熱，內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)，表面溫度持續(xù)升高，并將一些熱量傳遞給2號(hào)電池；當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，1號(hào)電池會(huì)熱失控，并燃爆，使其溫度急劇上升至706 ℃；同時(shí)，2號(hào)電池的溫度也大幅上升至144 ℃，3號(hào)電池的溫度也開(kāi)始緩慢上升。第二階段：2號(hào)電池持續(xù)受熱達(dá)到熱失控臨界溫度發(fā)生燃爆，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度持續(xù)升高；在273 s后，2號(hào)電池發(fā)生了熱失控，其溫度瞬間陡升至峰值589 ℃，3號(hào)電池的溫度上升到112 ℃。第三階段：3號(hào)電池發(fā)生熱失控，使溫度升高至576 ℃。
圖8 釋放2-BTP前后溫度變化(80 kPa)Fig.8 The temperature change before and after releasing 2-BTP(80 kPa)
如圖8(b)所示，在1號(hào)電池發(fā)生熱失控后立即釋放2-BTP滅火劑，1號(hào)電池表面峰值溫度為426 ℃，相比空白實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度有了大幅下降。之后2號(hào)電池只有小幅的上升，達(dá)不到熱失控臨界溫度，因此沒(méi)有繼續(xù)發(fā)生熱失控。而3號(hào)電池的表面溫度沒(méi)有明顯上升的趨勢(shì)，也沒(méi)有發(fā)生熱失控。
在80、60、40 kPa這3種環(huán)境壓力下各施加2-BTP、Novec1230、細(xì)水霧3種滅火劑。如圖9(a)所示，相同環(huán)境壓力下(80 kPa),在不同滅火劑的作用下，鋰電池表面溫度有不同幅度的下降，施加2-BTP后溫度降幅為305 ℃，而施加細(xì)水霧和Novec1230后的溫度降幅分別為210、154 ℃。在施加同一種滅火劑(Novec1230)時(shí)，不同環(huán)境壓力下鋰電池表面溫度幅度呈現(xiàn)出隨環(huán)境壓力下降而減小的規(guī)律，80 kPa 時(shí)溫度降幅為154 ℃，60 kPa時(shí)為103 ℃，40 kPa 時(shí)為67 ℃。
圖9 釋放滅火劑后1號(hào)電池的降溫幅度和達(dá)到的峰值溫度Fig.9 The peak temperature and cooling range of No.1 battery after releasing fire extinguishing agents
如圖9(b)所示，施加3種滅火劑都能有效地對(duì)發(fā)生熱失控的1號(hào)電池起到降溫冷卻的作用，但隨后由于電池內(nèi)部積累的熱量繼續(xù)向外傳導(dǎo)，使得1號(hào)電池表面的溫度再次上升，最終達(dá)到峰值溫度，但要遠(yuǎn)低于空白實(shí)驗(yàn)時(shí)的峰值溫度。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，若施加同一種滅火劑(Novec1230)，80、60、40 kPa 下所達(dá)到的峰值溫度分別為610、508、395 ℃，峰值溫度隨壓力的降低而下降，同種滅火劑在較低環(huán)境壓力下的降溫冷卻效果更好。若在相同環(huán)境壓力(40 kPa)下施加不同滅火劑滅火，使用Novec1230后1號(hào)電池所能達(dá)到的峰值溫度為 395 ℃，使用細(xì)水霧后為354 ℃，使用2-BTP后為304 ℃，對(duì)比發(fā)現(xiàn)2-BTP對(duì)鋰電池的降溫冷卻效果最好，而細(xì)水霧的效果要好于Novec1230。
2.3 抑制CO生成效果分析
在鋰電池的熱失控過(guò)程中，電池內(nèi)部發(fā)生一系列鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)，從而生成CO和其他烷烴。由于放熱反應(yīng)引起的高溫加快了反應(yīng)速度，使電池內(nèi)部的產(chǎn)氣速度加快，壓力急劇上升，安全閥被打開(kāi)，大量的可燃性氣體物質(zhì)從泄壓口噴出，并與外部氧氣混合在電池上方燃爆起火。CO是電池?zé)崾Э厝急a(chǎn)生的主要?dú)怏w。因此，是否能夠有效地降低空氣中CO濃度反映了滅火劑抑滅鋰離子電池火的效果。
圖10(a)為3種環(huán)境壓力下未使用任何滅火劑的CO濃度變化曲線。從圖10(a)可以看出，在 40 kPa 環(huán)境壓力下，空氣中的氧氣含量急劇減少，鋰電池內(nèi)可燃物質(zhì)燃燒不完全，因此周圍空氣中CO濃度陡升至6 557×10-6。而在80、60 kPa環(huán)境壓力下，CO濃度峰值分別為3 330×10-6、3 632×10-6?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋰電池燃爆過(guò)程中CO濃度隨著環(huán)境壓力的降低而升高。
如圖10(b)～圖10(d)所示，在1號(hào)電池燃爆瞬間釋放細(xì)水霧，Novec1230和2-BTP進(jìn)行滅火， CO濃度都有大幅下降，并且有效抑制了2號(hào)和3號(hào)電池的熱失控。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同環(huán)境壓力(如40 kPa)下，施加2-BTP后CO濃度降至1 332×10-6，施加Novec1230后CO濃度降至1 389×10-6，而施加細(xì)水霧后CO濃度為2 110×10-6，這是由于2-BTP和Novec1230可與鋰電池電解質(zhì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到化學(xué)抑制的作用，因此降低CO濃度效果要優(yōu)于細(xì)水霧。在施加同一種滅火劑(2-BTP)時(shí)，80、60、40 kPa時(shí)CO濃度分別為654×10-6、1 015×10-6和1 332×10-6，在環(huán)境壓力較高時(shí)抑制CO生成的效果更好。
圖10 釋放滅火前后CO濃度變化Fig.10 The change of CO concentration before and after releasing fire extinguishing agents
3 結(jié)論
通過(guò)開(kāi)展變壓環(huán)境下多種新型清潔滅火劑抑滅鋰離子電池火實(shí)驗(yàn)，分析了抑滅火實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、降溫冷卻效果和抑制CO生成的效果，得出以下結(jié)論。
(1)空白實(shí)驗(yàn)中，隨著環(huán)境壓力的下降，電池?zé)崾Э匕l(fā)生燃爆所需的時(shí)間將增加；同時(shí)，電池發(fā)生燃爆的劇烈程度將減弱。滅火實(shí)驗(yàn)中，隨著環(huán)境壓力的下降，滅火時(shí)間逐漸減少，在施加同種滅火劑(如細(xì)水霧)的情況下，80、60、40 kPa時(shí)分別為6.0，5.0、4.0 s。2-BTP是3種滅火劑中滅火效果最好的，相同環(huán)境壓力(80 kPa)下，撲滅明火所需時(shí)間最少，為2.0 s，而Novec1230滅火效果要優(yōu)于細(xì)水霧。
(2)相同環(huán)境壓力下(80 kPa),在不同滅火劑的作用下，鋰電池表面溫度有不同幅度的下降，施加2-BTP、細(xì)水霧和Novec1230后溫度降幅分別為305、210、154 ℃，達(dá)到的峰值溫度分別為304、354、395 ℃；在施加同一種滅火劑(Novce1230)時(shí)，不同環(huán)境壓力下鋰電池表面溫度幅度呈現(xiàn)出隨環(huán)境壓力下降而減小的規(guī)律，80、60、40 kPa時(shí)溫度降幅為154、103、67 ℃，達(dá)到的峰值溫度分別為610、508、395 ℃；對(duì)比發(fā)現(xiàn)2-BTP降溫冷卻效果最好，而細(xì)水霧的效果要好于Novec1230，另外環(huán)境壓力越高，降溫冷卻效果越好。
(3)空白實(shí)驗(yàn)中，鋰電池燃爆過(guò)程中CO濃度隨著環(huán)境壓力的降低而升高，80、60、40 kPa環(huán)境壓力下，CO峰值濃度分別為3 330×10-6、3 632×10-6、6 557×10-6；滅火實(shí)驗(yàn)中，相同環(huán)境壓力(40 kPa)下，施加2-BTP、Novec1230和細(xì)水霧后CO濃度分別降至1 332×10-6、1 389×10-6、2 110×10-6，2-BTP 和Novec1230對(duì)于抑制CO生成效果好于細(xì)水霧；在施加同一種滅火劑(2-BTP)時(shí)，80、60、40 kPa 時(shí)CO濃度分別為654×10-6、1 015×10-6、1 332×10-6，表明在環(huán)境壓力較高時(shí)抑制CO生成的效果更好。
在下一步的研究工作中將引入更多的參數(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)估滅火劑的性能。 特別是研究鋰電池與滅火劑之間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的有毒氣體，以進(jìn)一步證明新型滅火劑的環(huán)境友好性。
猜你喜歡
直升機(jī)滅火系統(tǒng)管網(wǎng)壓力和阻力特性試驗(yàn)研究直升機(jī)技術(shù)(2022年4期)2022-12-29 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對(duì)油池火抑制效果研究現(xiàn)代職業(yè)安全(2022年9期)2022-11-08 自然之道保健與生活(2021年20期)2021-10-15 故障狀態(tài)下純電動(dòng)汽車環(huán)境壓力及海拔高度估算方法北京汽車(2021年1期)2021-03-04 興化市旌凖泡沫滅火劑檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司中國(guó)船檢(2020年11期)2020-11-27 可替換牙刷風(fēng)流一代·青春(2020年6期)2020-06-19 通風(fēng)條件對(duì)地鐵車廂內(nèi)氮?dú)?細(xì)水霧滅火特性的影響分析人民交通(2019年23期)2019-02-10 油煙排風(fēng)管道水霧凈化裝置中學(xué)科技(2018年2期)2018-03-15 水上消防新利器
——環(huán)保無(wú)毒型“DTE水系滅火劑”水上消防(2017年1期)2017-12-31 畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境壓力探討江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)(2016年1期)2017-05-17
沈俊杰， 賀元驊， 王海斌， 郭 君， 陳現(xiàn)濤
(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院， 廣漢 618307)
鋰離子電池(以下簡(jiǎn)稱鋰電池)憑借其較大的儲(chǔ)電容量、較高的能量功率密度、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，鋰電池航空運(yùn)輸量劇增，導(dǎo)致民航運(yùn)輸鋰電池的事故頻發(fā)[1]。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA(Federal Aviation Administration)報(bào)告顯示，1991年1月—2019年8月，涉及鋰電池的運(yùn)輸不安全事件記錄在案共265起[2]。多數(shù)事件是由于鋰電池?zé)崾Э匾鸬幕馂?zāi)，鋰電池不同于傳統(tǒng)電池，一旦發(fā)生熱失控鋰電池將釋放可燃?xì)怏w，噴射出可燃電解質(zhì)，造成起火燃爆事故，嚴(yán)重影響民航的安全運(yùn)輸[3]。當(dāng)前，中外仍廣泛使用傳統(tǒng)機(jī)載哈龍(Halo)滅火劑來(lái)?yè)錅玟囯姵鼗馂?zāi)，但其存在易復(fù)燃和破壞臭氧層等缺點(diǎn)。國(guó)際民航組織(ICAO)正在積極推動(dòng)各國(guó)淘汰哈龍滅火劑，采用其替代滅火劑?，F(xiàn)有哈龍?zhí)娲鷾缁饎┲饕?-溴-3,3,3-三氟丙烯(2-bromo-3,3,3trifluoropropene，2-BTP)、全氟己酮(perfluorohexanone，Novec1230)、細(xì)水霧等。
目前，關(guān)于鋰電池在變壓環(huán)境下熱失控特性和滅火技術(shù)的研究較少。鄧志彬等[4]對(duì)比常壓和低壓環(huán)境下鋰離子電池?zé)崾Э氐奶匦?，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池在低壓環(huán)境下的熱失控溫度低于常壓環(huán)境；賀元驊等[5]研究了低壓環(huán)境下不同電荷量鋰離子電池的熱失控特性，結(jié)果表明隨著荷電量的增加，鋰離子電池?zé)崾Э睾难趿考眲∩仙?，同時(shí)CO生成量顯著上升；Wang等[6]研究了七氟丙烷(HFC-227ea)對(duì)抑制鈦酸鋰電池火的有效性，發(fā)現(xiàn)HFC-227ea能有效撲滅電池火，提出在滅火時(shí)，應(yīng)盡早使用并持續(xù)一段時(shí)間，防止復(fù)燃；Liu等[7]對(duì)大容量鋰離子電池滅火實(shí)驗(yàn)研究中使用Novec1230，結(jié)果表明Novec1230可在短時(shí)間內(nèi)滅火，其滅火效果與施加的劑量有關(guān)。
在上述有關(guān)鋰離子電池滅火研究中，都是在常壓環(huán)境下進(jìn)行的，而在飛機(jī)貨艙中鋰電池在航空運(yùn)輸途中是處于變壓環(huán)境的，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在民機(jī)典型的工作環(huán)境包括起飛降落、爬升和巡航階段的環(huán)境壓力分別為80、60、40 kPa下進(jìn)行。此外，鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生燃爆起火過(guò)程涉及相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程。例如，負(fù)極材料的燃燒會(huì)產(chǎn)生A類火，有機(jī)電解質(zhì)的燃燒產(chǎn)生B類火，隔膜分解可燃?xì)怏w并產(chǎn)生C類火，金屬鋰的燃燒產(chǎn)生D類火，因此選用多種滅火劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？紤]到水的冷卻效果好，以及哈龍滅火劑對(duì)環(huán)境的污染，選擇細(xì)水霧和Novec1230、2-BTP這兩種新型的清潔高效滅火劑進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
(1)動(dòng)壓變溫實(shí)驗(yàn)艙：內(nèi)部尺寸為2 m(長(zhǎng))×2 m(寬)×2 m(高)，可以模擬從常壓至極限高度為15 000 m、環(huán)境壓力為10 kPa的壓力范圍，且壓力誤差不超過(guò)0.1 kPa。實(shí)驗(yàn)艙的變壓速率為0 ～ 22.48 kPa/min，變壓速率可調(diào)節(jié)，通常設(shè)定為4.0～9.0 kPa/min。實(shí)驗(yàn)艙的實(shí)物如圖1(a)所示。此外，為模擬相對(duì)封閉的機(jī)艙環(huán)境，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部安裝了一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)箱，用于放置鋰電池固定裝置和滅火劑釋放裝置。
(2)氣體測(cè)試系統(tǒng)：該氣體測(cè)試裝置可以測(cè)量CO、CO2和O2，測(cè)試誤差不超過(guò)1%，如圖1(b)所示。
(3)雙流體細(xì)水霧系統(tǒng)：細(xì)水霧產(chǎn)生系統(tǒng)主要由水路、氣路和水霧噴霧器組成，包括空氣壓縮機(jī)，高壓儲(chǔ)氣裝置和管道系統(tǒng)。系統(tǒng)示意圖如圖1(c)所示。 該系統(tǒng)由Prius螺桿空氣壓縮機(jī)(設(shè)定壓力為1.25 MPa)、鋼制儲(chǔ)氣罐、智能水泵自動(dòng)控制器、氣體(液體)流量計(jì)、水噴霧器和管道組成。該系統(tǒng)使用低壓雙流體噴霧器，霧化錐角為15°，干燥空氣為霧化氣體。氣體流速和液體流速設(shè)計(jì)為50 LPM(liter per minute)和0.3 LPM，并且流速由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。
(4)自制的可充裝式滅火器：利用氮?dú)饧訅悍绞匠溲bNovec1230和2-BTP。 在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將Novec1230和2-BTP封閉在2 000 mL滅火器中，并充入氮?dú)?，使壓力達(dá)到2.5 MPa，如圖1(d)所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備Fig.1 Experimental platform equipment
1.2 實(shí)驗(yàn)用新型清潔滅火劑
(1) 細(xì)水霧：通過(guò)將兩流體的氣體壓力調(diào)整為0.4 MPa，并將水壓力調(diào)整為0.28 MPa，以獲得霧滴直徑DV(90)為92.82 μm的細(xì)水霧，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，無(wú)毒，主要的滅火機(jī)理為降溫冷卻。
(2) Novec1230：美國(guó)3M公司開(kāi)發(fā)的一種新型滅火劑。其分子式為CF3CF2COCF(CF3)2，不含氯元素，是一種低毒的滅火劑，滅火后不會(huì)破壞臭氧層。在室溫下為無(wú)色無(wú)味液體，通過(guò)高壓充裝并釋放，易氣化，釋放后無(wú)殘留。滅火的主要機(jī)理是化學(xué)抑制作用，還具有冷卻作用。
1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
1.3.1 電池組的布置
選用力神21700型鋰電池(3.7 V和4 000 mA·h)。根據(jù)先前的實(shí)驗(yàn)，在常壓下，電池組中的第1個(gè)電池的熱失控可以通過(guò)熱傳播使第2、第3個(gè)電池?zé)崾Э?，因此在此?shí)驗(yàn)中，電池排列方式為1×3，如圖2(a)。實(shí)驗(yàn)的熱電偶選擇針式K型鎧裝熱電偶(1 mm)，并排列1～3#電池，如圖2所示。
圖2 電池布置Fig.2 Arrangement of batteries
1.3.2 整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建
如圖3所示，將固定21700型鋰電池的裝置放于艙中的小型實(shí)驗(yàn)箱(50 mm×50 mm×80 mm)內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求來(lái)設(shè)置艙室內(nèi)的壓力。當(dāng)機(jī)艙內(nèi)的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)，使用如圖2(a)的250 W電熱片進(jìn)行加熱，使鋰電池發(fā)生熱失控，并通過(guò)K型熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量3個(gè)電池的表面溫度。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體通過(guò)集氣罩收集并通過(guò)煙氣測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分析。滅火劑噴霧器置于電池上方10 cm處，并以180°釋放滅火劑。噴頭通過(guò)高壓鋼管與機(jī)艙外部的滅火劑儲(chǔ)存箱相連，滅火劑中充滿壓力為2.5 MPa的N2。在機(jī)艙頂部的電磁閥的控制下釋放滅火劑。同時(shí)，噴出的兩液水霧也直接放在電池上方10 cm處。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄，該攝像機(jī)直接位于機(jī)艙中電池的前面。
1.3.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置
如表1所示，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的設(shè)定的壓力包括80、60、40 kPa的3個(gè)壓力梯度，模擬貨機(jī)在起降、爬升和巡航3個(gè)飛行階段的貨艙環(huán)境壓力。在每種壓力梯度下，分別進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)設(shè)置，如空白試驗(yàn)(無(wú)滅火劑釋放)，釋放2-BTP、Novec1230和細(xì)水霧[DV(90)=92.82 μm]。每個(gè)小組重復(fù)3次，以免因出現(xiàn)偶然性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
2.1 電池火行為現(xiàn)象分析
2.1.1 空白組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
圖4為80 kPa時(shí)的空白實(shí)驗(yàn)。從圖4可以看出，在電加熱裝置對(duì)電池加熱256 s后，1號(hào)電池頂部開(kāi)始產(chǎn)生大量濃煙，這是由于電池內(nèi)部積聚了足夠的熱量以分解電解質(zhì)和負(fù)極的(固體電解質(zhì)界面SEI)膜，正極的材料也開(kāi)始分解觸發(fā)短路，產(chǎn)生的CO、H2和烷烴類混合可燃性氣體[8]及固體可燃顆粒物。隨著大量氣體在電池內(nèi)部的不斷積聚，壓力劇增，使頂部安全閥開(kāi)啟，大量可燃顆粒物瞬間噴射出來(lái)，在270 s時(shí)發(fā)生劇烈燃爆，如圖4(b)所示。燃爆后2 s，頂部形成電池火，并持續(xù)燃燒37 s后熄滅，這是由于電池內(nèi)部反應(yīng)還在進(jìn)行，大量可燃性氣體從電池中連續(xù)釋放出來(lái)，并與外部的氧氣混合后被點(diǎn)燃，待可燃性氣體釋放殆盡后火焰熄滅。在1號(hào)電池發(fā)生燃爆273 s后，2號(hào)電池也發(fā)生了燃爆，這是因?yàn)樵?號(hào)電池燃爆后溫度達(dá)到峰值，比2號(hào)電池的溫度高得多，所以1號(hào)電池不斷地將熱量傳遞到2號(hào)電池，導(dǎo)致2號(hào)電池的溫度持續(xù)升高，發(fā)生熱失控。同樣由于2號(hào)與3號(hào)電池之間的熱傳播，在2號(hào)電池燃爆144 s后，3號(hào)電池繼續(xù)發(fā)生燃爆。
圖4 空白實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(80 kPa)Fig.4 The phenomena of blank test (80 kPa)
當(dāng)環(huán)境壓力為60、40 kPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與 80 kPa 的實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格保持一致。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果。
(1)隨著環(huán)境壓力的下降，電池?zé)崾Э匕l(fā)生燃爆所需的時(shí)間將增加，如表2所示，這是由于在低壓低氧含量的環(huán)境中，電池內(nèi)不充分燃燒反應(yīng)，積蓄熱量使電池燃爆需要更長(zhǎng)的時(shí)間[9]。
(2)如圖5所示，隨著環(huán)境壓力的下降，電池發(fā)生燃爆的劇烈程度減弱，噴射出的火花亮度明顯減弱。這是由于壓力越低，周圍空氣中氧含量越低，噴射出來(lái)的可燃物燃燒越不充分[10]。
2.1.2 滅火劑滅火實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
環(huán)境壓力為80 kPa時(shí)，當(dāng)1號(hào)電池發(fā)生熱失控
表2 電池?zé)崾Э貢r(shí)間
圖5 不同壓力下燃爆起火現(xiàn)象Fig.5 The phenomenon of burning and igniting under different pressures
燃爆，噴射出高亮火花，滅火系統(tǒng)立即被觸發(fā)，以2.5 MPa壓力從正上方釋放600 mL 2-BTP滅火劑，如圖6所示，滅火劑在高壓作用下瞬間霧化，將電池完全覆蓋，有效壓制了從安全閥持續(xù)噴射出來(lái)的燃燒的可燃物質(zhì)，2 s后火花被完全撲滅。在滅火劑釋放完全后，1號(hào)電池外部的金屬外殼從紅色變?yōu)榛野咨?，使電池表面快速冷卻。由于電池內(nèi)部的燃燒物質(zhì)已在滅火劑的作用下熄滅，因此此后沒(méi)有發(fā)生復(fù)燃。同時(shí)，滅火劑的釋放有效阻止了電池間熱量的傳遞，2號(hào)和3號(hào)電池都未發(fā)生熱失控燃爆。在60、40 kPa時(shí)釋放2-BTP與80 kPa的滅火過(guò)程類似。
圖6 釋放2-BTP滅火現(xiàn)象(80 kPa)Fig.6 The Phenomena after releasing 2-BTP to extinguish fire(80 kPa)
同樣，在80、60、40 kPa環(huán)境壓力下，在1號(hào)電池?zé)崾Э厝急查g釋放Novec1230和細(xì)水霧，在滅火劑釋放完全前都能夠有效撲滅火花，之后1號(hào)電池沒(méi)有復(fù)燃。一段時(shí)間后，2號(hào)和3號(hào)電池也都沒(méi)有發(fā)生連續(xù)熱失控燃爆。以上3種滅火劑在不同環(huán)境壓力下的滅火時(shí)間比較如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果。
圖7 撲滅火花所需時(shí)間Fig.7 The time to extinguish spark
(1)隨著環(huán)境壓力的下降，滅火時(shí)間逐漸減少。這是由于相比于60、80、40 kPa時(shí)的燃爆強(qiáng)度較弱，燃爆產(chǎn)生的火花范圍較小，因此所需的滅火時(shí)間最少。
(2)2-BTP是3種滅火劑中滅火效果最好的，相同環(huán)境壓力下，撲滅明火所需時(shí)間最少，而Novec1230滅火效果要優(yōu)于細(xì)水霧。
2.2 降溫冷卻效果分析
空白實(shí)驗(yàn)中，鋰電池受熱后發(fā)生熱失控時(shí)的溫度變化可分為三個(gè)階段，以80 kPa為例，如圖8(a)所示。第一階段：1號(hào)電池被加熱，內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)，表面溫度持續(xù)升高，并將一些熱量傳遞給2號(hào)電池；當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，1號(hào)電池會(huì)熱失控，并燃爆，使其溫度急劇上升至706 ℃；同時(shí)，2號(hào)電池的溫度也大幅上升至144 ℃，3號(hào)電池的溫度也開(kāi)始緩慢上升。第二階段：2號(hào)電池持續(xù)受熱達(dá)到熱失控臨界溫度發(fā)生燃爆，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度持續(xù)升高；在273 s后，2號(hào)電池發(fā)生了熱失控，其溫度瞬間陡升至峰值589 ℃，3號(hào)電池的溫度上升到112 ℃。第三階段：3號(hào)電池發(fā)生熱失控，使溫度升高至576 ℃。
圖8 釋放2-BTP前后溫度變化(80 kPa)Fig.8 The temperature change before and after releasing 2-BTP(80 kPa)
如圖8(b)所示，在1號(hào)電池發(fā)生熱失控后立即釋放2-BTP滅火劑，1號(hào)電池表面峰值溫度為426 ℃，相比空白實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度有了大幅下降。之后2號(hào)電池只有小幅的上升，達(dá)不到熱失控臨界溫度，因此沒(méi)有繼續(xù)發(fā)生熱失控。而3號(hào)電池的表面溫度沒(méi)有明顯上升的趨勢(shì)，也沒(méi)有發(fā)生熱失控。
在80、60、40 kPa這3種環(huán)境壓力下各施加2-BTP、Novec1230、細(xì)水霧3種滅火劑。如圖9(a)所示，相同環(huán)境壓力下(80 kPa),在不同滅火劑的作用下，鋰電池表面溫度有不同幅度的下降，施加2-BTP后溫度降幅為305 ℃，而施加細(xì)水霧和Novec1230后的溫度降幅分別為210、154 ℃。在施加同一種滅火劑(Novec1230)時(shí)，不同環(huán)境壓力下鋰電池表面溫度幅度呈現(xiàn)出隨環(huán)境壓力下降而減小的規(guī)律，80 kPa 時(shí)溫度降幅為154 ℃，60 kPa時(shí)為103 ℃，40 kPa 時(shí)為67 ℃。
圖9 釋放滅火劑后1號(hào)電池的降溫幅度和達(dá)到的峰值溫度Fig.9 The peak temperature and cooling range of No.1 battery after releasing fire extinguishing agents
如圖9(b)所示，施加3種滅火劑都能有效地對(duì)發(fā)生熱失控的1號(hào)電池起到降溫冷卻的作用，但隨后由于電池內(nèi)部積累的熱量繼續(xù)向外傳導(dǎo)，使得1號(hào)電池表面的溫度再次上升，最終達(dá)到峰值溫度，但要遠(yuǎn)低于空白實(shí)驗(yàn)時(shí)的峰值溫度。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，若施加同一種滅火劑(Novec1230)，80、60、40 kPa 下所達(dá)到的峰值溫度分別為610、508、395 ℃，峰值溫度隨壓力的降低而下降，同種滅火劑在較低環(huán)境壓力下的降溫冷卻效果更好。若在相同環(huán)境壓力(40 kPa)下施加不同滅火劑滅火，使用Novec1230后1號(hào)電池所能達(dá)到的峰值溫度為 395 ℃，使用細(xì)水霧后為354 ℃，使用2-BTP后為304 ℃，對(duì)比發(fā)現(xiàn)2-BTP對(duì)鋰電池的降溫冷卻效果最好，而細(xì)水霧的效果要好于Novec1230。
2.3 抑制CO生成效果分析
在鋰電池的熱失控過(guò)程中，電池內(nèi)部發(fā)生一系列鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)，從而生成CO和其他烷烴。由于放熱反應(yīng)引起的高溫加快了反應(yīng)速度，使電池內(nèi)部的產(chǎn)氣速度加快，壓力急劇上升，安全閥被打開(kāi)，大量的可燃性氣體物質(zhì)從泄壓口噴出，并與外部氧氣混合在電池上方燃爆起火。CO是電池?zé)崾Э厝急a(chǎn)生的主要?dú)怏w。因此，是否能夠有效地降低空氣中CO濃度反映了滅火劑抑滅鋰離子電池火的效果。
圖10(a)為3種環(huán)境壓力下未使用任何滅火劑的CO濃度變化曲線。從圖10(a)可以看出，在 40 kPa 環(huán)境壓力下，空氣中的氧氣含量急劇減少，鋰電池內(nèi)可燃物質(zhì)燃燒不完全，因此周圍空氣中CO濃度陡升至6 557×10-6。而在80、60 kPa環(huán)境壓力下，CO濃度峰值分別為3 330×10-6、3 632×10-6?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋰電池燃爆過(guò)程中CO濃度隨著環(huán)境壓力的降低而升高。
如圖10(b)～圖10(d)所示，在1號(hào)電池燃爆瞬間釋放細(xì)水霧，Novec1230和2-BTP進(jìn)行滅火， CO濃度都有大幅下降，并且有效抑制了2號(hào)和3號(hào)電池的熱失控。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同環(huán)境壓力(如40 kPa)下，施加2-BTP后CO濃度降至1 332×10-6，施加Novec1230后CO濃度降至1 389×10-6，而施加細(xì)水霧后CO濃度為2 110×10-6，這是由于2-BTP和Novec1230可與鋰電池電解質(zhì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到化學(xué)抑制的作用，因此降低CO濃度效果要優(yōu)于細(xì)水霧。在施加同一種滅火劑(2-BTP)時(shí)，80、60、40 kPa時(shí)CO濃度分別為654×10-6、1 015×10-6和1 332×10-6，在環(huán)境壓力較高時(shí)抑制CO生成的效果更好。
圖10 釋放滅火前后CO濃度變化Fig.10 The change of CO concentration before and after releasing fire extinguishing agents
3 結(jié)論
通過(guò)開(kāi)展變壓環(huán)境下多種新型清潔滅火劑抑滅鋰離子電池火實(shí)驗(yàn)，分析了抑滅火實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、降溫冷卻效果和抑制CO生成的效果，得出以下結(jié)論。
(1)空白實(shí)驗(yàn)中，隨著環(huán)境壓力的下降，電池?zé)崾Э匕l(fā)生燃爆所需的時(shí)間將增加；同時(shí)，電池發(fā)生燃爆的劇烈程度將減弱。滅火實(shí)驗(yàn)中，隨著環(huán)境壓力的下降，滅火時(shí)間逐漸減少，在施加同種滅火劑(如細(xì)水霧)的情況下，80、60、40 kPa時(shí)分別為6.0，5.0、4.0 s。2-BTP是3種滅火劑中滅火效果最好的，相同環(huán)境壓力(80 kPa)下，撲滅明火所需時(shí)間最少，為2.0 s，而Novec1230滅火效果要優(yōu)于細(xì)水霧。
(2)相同環(huán)境壓力下(80 kPa),在不同滅火劑的作用下，鋰電池表面溫度有不同幅度的下降，施加2-BTP、細(xì)水霧和Novec1230后溫度降幅分別為305、210、154 ℃，達(dá)到的峰值溫度分別為304、354、395 ℃；在施加同一種滅火劑(Novce1230)時(shí)，不同環(huán)境壓力下鋰電池表面溫度幅度呈現(xiàn)出隨環(huán)境壓力下降而減小的規(guī)律，80、60、40 kPa時(shí)溫度降幅為154、103、67 ℃，達(dá)到的峰值溫度分別為610、508、395 ℃；對(duì)比發(fā)現(xiàn)2-BTP降溫冷卻效果最好，而細(xì)水霧的效果要好于Novec1230，另外環(huán)境壓力越高，降溫冷卻效果越好。
(3)空白實(shí)驗(yàn)中，鋰電池燃爆過(guò)程中CO濃度隨著環(huán)境壓力的降低而升高，80、60、40 kPa環(huán)境壓力下，CO峰值濃度分別為3 330×10-6、3 632×10-6、6 557×10-6；滅火實(shí)驗(yàn)中，相同環(huán)境壓力(40 kPa)下，施加2-BTP、Novec1230和細(xì)水霧后CO濃度分別降至1 332×10-6、1 389×10-6、2 110×10-6，2-BTP 和Novec1230對(duì)于抑制CO生成效果好于細(xì)水霧；在施加同一種滅火劑(2-BTP)時(shí)，80、60、40 kPa 時(shí)CO濃度分別為654×10-6、1 015×10-6、1 332×10-6，表明在環(huán)境壓力較高時(shí)抑制CO生成的效果更好。
在下一步的研究工作中將引入更多的參數(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)估滅火劑的性能。 特別是研究鋰電池與滅火劑之間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的有毒氣體，以進(jìn)一步證明新型滅火劑的環(huán)境友好性。
猜你喜歡
直升機(jī)技術(shù)(2022年4期)2022-12-29
現(xiàn)代職業(yè)安全(2022年9期)2022-11-08
保健與生活(2021年20期)2021-10-15
北京汽車(2021年1期)2021-03-04
中國(guó)船檢(2020年11期)2020-11-27
風(fēng)流一代·青春(2020年6期)2020-06-19
人民交通(2019年23期)2019-02-10
中學(xué)科技(2018年2期)2018-03-15
——環(huán)保無(wú)毒型“DTE水系滅火劑”
水上消防(2017年1期)2017-12-31
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)(2016年1期)2017-05-17
