細水霧滅火劑抑制鋰電池熱失控數(shù)值模擬研究

白偉

[摘 要]鋰電池熱失控問題日益突出，滅火劑的正確選擇關(guān)系到抑制鋰電池熱失控成功與否，而滅火裝置的參數(shù)設(shè)定更是重中之重。通過火災(zāi)數(shù)值模擬的方法可有效解決上述問題，因此本論文利用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件對細水霧抑制鋰電池熱失控效果進行分析，對最佳的細水霧參數(shù)進行探討，通過仿真得到的鋰電池溫度曲線圖對比得出細水霧抑制鋰電池熱失控最優(yōu)參數(shù)設(shè)置為流量2L/min、霧錐角45°、霧滴粒徑100um、噴霧速度30m/s，為工程實際做指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]鋰電池熱失控；FDS數(shù)值模擬；最優(yōu)參數(shù)選擇

隨著科技的進步，鋰電池在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛運用，使用數(shù)量增加，使用頻率提高，鋰電池易燃易爆，不穩(wěn)定，容易短路等缺點逐漸暴露。2009年11月7日位于加拿大特雷爾市發(fā)生了一起迄今為止影響最大的因為回收儲存鋰電池而引發(fā)的火災(zāi)，造成直接經(jīng)濟損失950萬美元。據(jù)國際民航運輸協(xié)會統(tǒng)計，自2008 年至2012年，四年期間空運鋰電池的數(shù)量達到了12億，近年來不管是國內(nèi)還是國外，都發(fā)生過多次因鋰電池引發(fā)的與航空運輸有關(guān)的事故征候，以及許多與運輸鋰電池和鋰電池為電源的設(shè)備有關(guān)的事故征候。

目前使用的滅火劑種類主要包括：氣體滅火劑、泡沫滅火劑、水滅火劑和粉體滅火劑，分析傳統(tǒng)滅火劑滅火機理并結(jié)合鋰電池熱失控特點，發(fā)現(xiàn)以二氧化碳、惰性氣體為代表的氣體滅火劑其滅火原理為隔絕氧氣，但因為鋰電池在無氧條件下仍能夠發(fā)生反應(yīng)，所以氣體滅火劑不能長期抑制鋰離子電池熱失控。泡沫滅火劑主要滅火機理為冷卻作用和窒息，大部分鋰電池表面積小，僅能附著很少量的泡沫，加上上述通過隔絕氧氣的方式抑制鋰離子電池熱失控能力不足。所以泡沫滅火劑抑制鋰電池熱失控存在不足，以熱氣溶膠和細水霧為代表的氣溶膠滅火劑主要滅火機理為冷卻吸熱，使用過程中熱氣溶膠進入火場后由于自身原因產(chǎn)生大量高溫，對于能夠復(fù)燃的鋰離子電池熱失控過程存在缺陷。干粉滅火劑抑制作用主要為冷卻降溫、隔離作用，其中超細干粉滅火劑遇熱之后每一步都是吸熱反應(yīng)，吸收大量熱，發(fā)生分解。但實際實驗過程中發(fā)現(xiàn)干粉滅火劑對鋰電池熱失控無明顯作用。所以本文選擇細水霧滅火劑抑制鋰電池火災(zāi)。

一、細水霧抑制鋰電池熱失控數(shù)值模擬場景設(shè)定

1.鋰電池拜擺放設(shè)定

為研究細水霧抑制鋰電池熱失控效果，將鋰電池通過金屬板固定，直線型排布。其形式為8節(jié)鋰電池放置在孔徑為19mm的金屬板中，如圖1所示。

2.燃燒熱釋放速率設(shè)定

FAA 曾對 18650 型鋰離子電池進行了熱釋放速率的測定，獲得了其燃燒時的熱釋放速率曲線，因此本文借助其實驗數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)作為單一燃燒單元的熱釋放速率進行設(shè)定，該曲線如圖2所示[6-8]。

3.網(wǎng)格設(shè)定

網(wǎng)格的數(shù)量在很大程度上直接影響到仿真結(jié)果的準確性，因此本模型中將網(wǎng)格大小設(shè)置為 0.01 m×0.01 m×0.01 m，共計22500個網(wǎng)格。直線型排布鋰電池熱失控抑制系統(tǒng)仿真模型如圖3所示

4.其他參數(shù)設(shè)定

初始環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，仿真時間為20 s。在橫向0.105、0.115直到0.215每隔0.1設(shè)置一塊溫度切片，用來監(jiān)測火災(zāi)及滅火過程中的溫度變化。仿真階段，單次仿真耗時1 h左右，產(chǎn)生80 M左右的數(shù)據(jù)量。設(shè)置Surface時與之前定義的Li材料相關(guān)聯(lián)，參數(shù)如圖4所示。

二、細水霧參數(shù)抑制鋰電池熱失控效果的影響分析

1.為研究細水霧霧滴直徑對滅火效果的影響，首先對不施加細水霧情況下的鋰電池燃燒進行數(shù)值模擬，隨后對噴射速度為 30m/s、噴霧強度為 2 L/min、霧滴直徑分別為 30μm、50μm、100μm、200μm、250μm的單相流細水霧滅火過程進行仿真計算。如圖5所示

通過圖5發(fā)現(xiàn)隨著霧滴粒徑的不斷減小，細水霧滅火劑抑制鋰電池熱失控效果明顯增加，不施加細水霧的情況下，鋰電池溫度居高不下直到所有電池全部爆炸。但當霧滴粒徑達到100um以下時，會發(fā)現(xiàn)抑制效果改變的并不明顯，霧滴粒徑的減小會提高細水霧抑制鋰電池熱失控的能力，但當減小到一定程度之后，效果就會減弱，霧滴粒徑增大時，鋰電池單位表面積上附著的顆粒變少，吸收溫度的能力變小，效果反而變差。針對本仿真，100um的綜合優(yōu)點要優(yōu)于其他粒徑，所以選擇100um。

2.為研究細水霧噴霧速度對直線型鋰電池排布熱失控抑制效果的影響。由理論計算及對細水霧噴霧速度的實際測量可知，常見細水霧噴頭在噴嘴附近產(chǎn)生的霧滴速度通常處于30m/s至70m/s之間。得到不同噴霧速度作用下細水霧抑制鋰電池熱失控溫度變化圖，如圖6所示

通過圖6可以發(fā)現(xiàn)不同噴霧速度對鋰電池抑制效果的改變并不明顯，但實際使用過程中越大的噴霧速度需要更高的工作壓力、更先進的技術(shù)水平，致使成本、設(shè)備的總體重量都會增加，綜合考慮提高噴霧速度的弊大于優(yōu)，所以抑制鋰電池熱失控的最優(yōu)噴霧速度為30m/s。

3.為研究細水霧噴霧強度對直線型鋰電池排布熱失控抑制效果的影響，在數(shù)值模擬中采用霧滴直徑為 100μm、噴霧速度為 30m/s、噴霧強度分別為1 L/min、2 L/min、3 L/min和4 L/min的單相流細水霧滅火過程進行仿真計算。得到不同霧滴直徑作用下細水霧抑制鋰電池熱失控溫度變化圖，如圖7所示

通過圖7發(fā)現(xiàn)100L實驗艙的閾值為4L/min，在鋰電池熱失控最高溫抑制效果方面，1L/min、2L/min、3L/min效果相差不大，但2L/min的抑制速率明顯高于其他噴霧速度，所以對于該模擬，2L/min時最優(yōu)選擇。

4.為研究細水霧噴霧角度對直線型鋰電池排布熱失控抑制效果的影響，在數(shù)值模擬中采用霧滴直徑為100μm、噴霧速度為30m/s、噴霧強度2 L/min的單相流細水霧，將細水霧噴頭布置在模型頂部中心，并設(shè)置其噴射角度分別為30°、45°、60°、75°，分別對四種不同噴霧角度的場景進行仿真，如圖8所示。

通過圖8，當角度調(diào)整為30°、60°、75°時，抑制效果小幅波動，效果略差于45°，因為當霧錐角過大時，細水霧霧滴部分接觸到試驗艙的艙壁，致使一部分細水霧霧滴并沒有作用于鋰電池表面，相比45°而言，效果較差。所以抑制鋰電池熱失控選擇45°霧錐角最優(yōu)。

三、結(jié)語

1.對比不同滅火劑抑制鋰電池熱失控發(fā)現(xiàn)細水霧滅火劑為最優(yōu)選擇。

2.結(jié)合實際實驗，通過仿真不同的霧錐角、噴霧速度、噴霧強度及霧滴粒徑，分析不同組合的細水霧參數(shù)在抑制鋰電池熱失控的效果發(fā)現(xiàn)當霧錐角為45°、噴霧速度為30m/s、噴霧強度為2L/min、霧滴粒徑為100um時效果最好。

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