感溫自啟動滅火管系統(tǒng)應用于密閉空間的試驗研究*

楊魏愷，叢曉民，趙林雙

(北京理工大學 機電學院 爆炸科學與技術國家重點試驗室，北京 100081)

0 引言

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

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

當前針對電動汽車消防的研究仍存在不足，所設計的自動滅火裝置大多由傳統(tǒng)汽車消防系統(tǒng)改進而來，裝置的專用化、小型化、整車配合性等仍存在問題。本文設計了1種內置于電動汽車PACK內部的自動滅火裝置，并探究裝置工作過程、滅火時間及降溫冷卻效率，為典型的空間小、區(qū)域封閉的電動汽車PACK專用自動滅火系統(tǒng)的設計提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗設計

根據國內相關部門的規(guī)范，模擬電動汽車PACK所采用的滅火試驗箱尺寸為1 000 mm×800 mm×300 mm(箱蓋尺寸為1 000 mm×800 mm×20 mm)，試驗平臺簡圖如圖 1 所示。采用正庚烷模擬火源，感溫自啟動滅火管采用外徑10 mm，溫度60～100 ℃，長度2.5 m，利用管壁受熱破裂，在內部儲存壓力的驅動下破口釋放滅火劑進行局部滅火。根據相關研究[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49 ℃；六氟丙烷常溫下為無色無味氣態(tài)物質，在每次試驗中預先封入188 g的全氟己酮或者163 g六氟丙烷滅火劑。

圖1 試驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

試驗準備階段將滅火劑(Novec 1230或R236fa)充裝至滅火管內，兩端密封，并用N2填充至設定壓力值，一端接入壓力傳感器。然后將滅火管排布并固定至試驗箱蓋上，設置熱電偶測量管壁溫度；箱體內設定好火源位置，打開照明燈帶，調整好攝像頭，布置火源及環(huán)境測量熱電偶。同時，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，試驗準備結束。最后，打開記錄設備，引燃油盤，進行試驗測試階段。

1.2 試驗方案

為了研究感溫自啟動滅火管系統(tǒng)針對庚烷火的響應行為以及滅火性能，本文共設計了18種工況，設置參數見表1。

表1 工況設計參數Table 1 Parameters of working conditions design

火源類型與油盤設置如圖2所示，中心火與角落火使用1個#1(200 mm×200 mm)油盤分別放置在箱體中央處與角落處，多點火使用6個#2(100 mm×100 mm)油盤均勻放置在箱體底面，呈對稱分布。此處使用精度為0.1 ℃的K型鎧裝微細熱電偶(最高值設定為840 ℃)，共設置12個測點，用間隔100 mm的CH1～CH3組成的熱電偶樹，來監(jiān)測火焰上方溫度的變化，見圖1；CH4～CH6分別用來測量角落與側壁(寬壁和長壁)中點處箱內環(huán)境溫度變化；CH7～CH12為滅火管管壁溫度測量點，用細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 箱蓋處滅火管測溫點排布Fig.2 Arrangement of temperature measurement points of fire extinguishing pipe at chamber cover

2 結果與討論

2.1 滅火時間

不同工況條件滅火管系統(tǒng)的滅火時間如圖3所示。試驗表明，2種滅火管系統(tǒng)均在60 s內成功滅火，且R236fa滅火管系統(tǒng)均在20 s內實現(xiàn)滅火，滅火時間明顯短于Novec 1230滅火管系統(tǒng)。滅火管內充裝壓力的增加對總滅火時間呈正作用，可以縮短滅火時間。相比于R236fa滅火管系統(tǒng)，壓力的增加對Novec 1230滅火管系統(tǒng)的滅火時間正作用更大，時間縮短作用更加明顯。試驗結果表明，當火源類型作為唯一變量時，多點火所需滅火時間最長，中心火次之，角落火最短。滅火劑在管內的相態(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，預熱時間長；充裝壓力對Novec 1230的噴射速率影響較大：壓力越大，速率越大，時間越短。

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

2.2 破裂動作溫度

不同工況下，感溫自啟動滅火管系統(tǒng)自油盤引燃后的溫度與破裂處最相近測溫點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，當管壁溫度達到或者即將達到峰值時滅火管破裂，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，CH7熱電偶處于火源正上方，能較準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，遠高于設計管壁破裂動作溫度；圖4(b)角落火時，選擇與火源中心有一定距離的CH10作為記錄點，其測量值可以很好地反映出受熱段管壁溫度變化，但測量值整體偏小，此時測得管壁破裂溫度處于80～130 ℃之間，試驗管壁真實破裂點均處于CH10與CH11滅火管段的轉角處，故實際管壁破裂動作溫度應高于CH10溫度區(qū)間；圖4(c)多點火時，火源數量多，滅火管破口位置不能確定，根據實際破口位置選取最近測溫點數值作為管壁破裂溫度值，實際管壁破裂溫度值均高于110 ℃，同時由于火源數量多，滅火管管壁測溫點CH7～CH12的其他熱電偶值均與破裂處熱電偶值相差較小。試驗表明在設定工況下，2種滅火管系統(tǒng)均能達到或超過滅火管設計破裂溫度范圍值，在有火源時，滅火管能夠動作，管壁破裂，釋放滅火劑。

圖4 破裂動作溫度變化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，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，在感溫滅火管系統(tǒng)破裂動作的瞬間，油盤上方溫度隨即開始降低，但周圍環(huán)境溫度經過短暫升高后才呈現(xiàn)出下降趨勢。與R236fa滅火管系統(tǒng)對比，不充壓與充壓0.88 MPa時，Novec 1230滅火管系統(tǒng)的油盤上方溫度更高，且持續(xù)時間更長；充壓1.81 MPa時，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)對周圍環(huán)境溫度的降溫冷卻作用加強，特別是當充壓1.81 MPa時，其對周圍環(huán)境溫度的降溫效果遠好于R236fa滅火管系統(tǒng)。此情況主要是因為隨著充壓的增大，Novec 1230滅火管系統(tǒng)的滅火時間縮短，火焰升溫時間短，同時內部N2流驅動力增大使得Novec 1230實際使用率提高，滅火濃度增大，降溫冷卻作用增強。

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為多點火時，油盤上方及周圍環(huán)境的溫度變化。6個油盤均勻分布在箱體，使得整個箱體的溫度場變化相似，呈現(xiàn)出火源存在時升溫，滅火管系統(tǒng)動作后溫度下降的變化。R236fa滅火管系統(tǒng)滅火時間短，箱體內溫度并未上升至最高點便動作滅火，抑制了箱體的內部溫度；Novec 1230滅火管系統(tǒng)滅火時間較R236fa滅火管系統(tǒng)更長，使得升溫時間變長。同時，多點火使得整根滅火管得到充分的受熱，內部Novec 1230汽化更加充分，Novec 1230實際使用率在80%以上，滅火濃度遠高于規(guī)定值，當其動作滅火時，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。當不充壓或者充壓0.88 MPa時，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，此現(xiàn)象的產生主要是由于管內滅火劑相態(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，實際參與降溫冷卻的Novec 1230遠小于填充量。當充壓值為1.81 MPa時，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|，此時Novec 1230汽化吸熱與滅火濃度低的優(yōu)勢展現(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 結論

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

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-多點火Fig.7 Temperature change above oil pan and ambient environment-multiple points fire

2)滅火管在管壁溫度達到或者即將達到峰值時破裂，動作溫度均在80 ℃以上。

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