一種動力鋰電池火災滅火試驗裝置的製作方法

2023-04-28 12:32:16

本實用新型涉及的是一種動力鋰電池火災滅火試驗裝置，屬於化工和消防安全技術領域。

背景技術：

隨著能源與環境問題的日益突出，以電動汽車為代表的新能源汽車在國家的政策扶持下快速發展並大面積推廣應用；電動汽車的核心部件是動力鋰電池，作為一種清潔能源，動力鋰電池以其高能量、高電壓、循環壽命長和綠色環保的特點得到了越來越多的關注。

隨著動力鋰電池的廣泛應用，其火災危險性也逐漸顯現，動力鋰電池在其燃燒過程中會發生劇烈的化學反應，一般還伴有放電現象，因此，動力鋰電池火災特性和蔓延發展情況較為複雜，不同於普通的消防建築和設施的滅火環境，具有一定的獨特性，目前國內還沒有設備、環境相類似的消防滅火系統，更沒有此類特殊環境及設備的消防標準和規範，所以，研究動力鋰電池火災滅火裝置和滅火方法就顯得非常重要，這也是當前安全工程領域尤其是火災與消防科學領域的熱點課題之一。

動力鋰電池火災是由一系列電化學反應引起，這些電化學反應速度較快，反應劇烈，這使得動力鋰電池火災滅火不同於普通的消防建築和設施的滅火環境，普通滅火劑很難撲滅，即使撲滅，也會發生復燃，而且對人員和環境傷害很大；動力鋰電池的熱失控燃燒反應發生在電池內部，滅火劑一般不能直接作用於電池內部，滅火就更為困難；鑑於動力鋰電池一般安裝在電動汽車內部封閉空間，內部不僅有儀器設備，而且有人員活動，火災發生時，人員難以及時逃生，因此對滅火介質的安全、環保特性有較高要求，要求消防滅火系統必須以人為本，滅火介質的選擇必須最大限度的降低對人體的傷害。

目前的各類滅火介質中，滷代烷對人員有傷害，有的滷代烷還存在酸類熱分解產物，對儀器設備損害較大；二氧化碳滅火介質對人員有致命傷害；惰性氣體滅火介質對人體和設備損失均較小，但其窒息作用原理完全不適宜於此場合；細水霧對人體無害，環保性最好；表面活性劑由天然或再生資源為原料加工而成，具有良好的表面活性、兼容性、溶解度和穩定性，它在水中形成對疏水性有機物具有增溶作用的膠束，極大提高有機物在水中的表觀溶解度。

技術實現要素：

本實用新型提供的是一種動力鋰電池火災滅火試驗裝置，其目的是解決動力鋰電池發生熱失控燃燒時不能及時被撲滅而引燃整個電動汽車火災的問題,以及提供一種對典型的動力鋰電池和大型的電池模塊都能進行火災滅火研究的試驗裝置。

本實用新型的技術解決方案：一種動力鋰電池火災滅火試驗裝置，其結構包括燃燒室、電池安放系統、熱源供給系統、測量及監控系統、滅火系統、排煙系統和廢液處理系統；所述燃燒室包括底板、頂板、左壁、右壁、後壁、前門、通風孔、引線穿孔及防火板；其中，後壁設有通風孔，左壁設有引線穿孔，底板、頂板、左壁、右壁、後壁為不鏽鋼鋼板，鋼板裡面是防火板；電池安放系統設在燃燒室1內, 電池安放系統中的鋼座5上的開孔25與廢液處理系統中的B輸送管道31的首端相接；排煙系統中的煙氣收集器27置於燃燒室1的頂板上並與排煙管道29相接；熱源供給系統中的管爐15的一端在電池安放系統附近；測量及監控系統中的高速攝像儀13處於燃燒室1的左壁上；滅火系統中的A輸送管道17的一端穿過燃燒室1的右壁與噴頭16連接。

本實用新型的有益效果：

1） 本實用新型操作簡單，結構合理，功能齊全，面對普通滅火劑撲救動力鋰電池火災效果不佳的現狀，克服了現有消防技術的不足，通過含表面活性劑細水霧專用滅火系統，實現了對動力鋰電池火災快速、有效撲救的過程，提高了滅火效果，大大減少了滅火時間，滅火劑用量，降低了滅火成本及動力鋰電池本身的損失，減少了動力鋰電池火災帶來的生命和財產損失；是一種高效、環保的滅火裝置；

2）本實用新型屬於全尺寸試驗平臺，不僅能對典型的動力鋰電池進行火災滅火研究，而且能對大型的電池模塊進行試驗，試驗過程中的溫度、熱通量等變化均能精確記錄，試驗數據採集精度高，大大增加了實驗結果的可信度；

3）本實用新型通過含表面活性劑細水霧專用滅火系統，實現了對動力鋰電池火災快速、有效撲滅的過程，同時，噴頭設計為錐形離心式細水霧噴頭，避免了相互有不等的雙、三、甚至多次重疊覆蓋的區域，提高了滅火效果，大大減少了滅火時間，滅火劑用量，降低了滅火成本及動力鋰電池本身的損失。

附圖說明

附圖1是一種動力鋰電池火災滅火試驗裝置立體效果示意圖。

附圖2是一種動力鋰電池火災滅火試驗裝置平面主視圖。

附圖3是動力鋰電池支撐鋼座立體效果示意圖。

附圖4是滅火劑噴頭示意圖。

附圖5是常用滅火劑噴頭灑水覆蓋區示意圖。

附圖6是本實用新型噴頭灑水覆蓋區示意圖。

圖中，1是燃燒室，2是防火板，3是前門，4是支架，5是鋼座，6是固定鋼管，7是通風孔，8是引線穿孔，9是輻射熱計，10是熱電偶，11是壓力傳感器，12是鎳鉻合金線，13是高速攝像儀，14是氣體燃燒器，15是管爐，16是噴頭，17是A輸送管道，18是控制閥，19是流量計，20是壓力表，21是減壓閥，22是泵組，23是吸水管，24是滅火劑儲罐，25是開孔，26是回收罐，27是煙氣收集器，28是防爆風機，29是排煙管道，30是排煙防火閥，31是B輸送管道。

具體實施方式

一種動力鋰電池火災滅火試驗裝置，其結構包括燃燒室1、電池安放系統、熱源供給系統、測量及監控系統、滅火系統、排煙系統和廢液處理系統；所述燃燒室1包括底板、頂板、左壁、右壁、後壁、前門3、通風孔7、引線穿孔8及防火板2；其中，後壁設有通風孔7，左壁設有引線穿孔8，底板、頂板、左壁、右壁、後壁為不鏽鋼鋼板，鋼板裡面是防火板2；其中，電池安放系統設在燃燒室1內, 電池安放系統中的鋼座5上的開孔25與廢液處理系統中的B輸送管道31的首端相接；排煙系統中的煙氣收集器27置於燃燒室1的頂板上並與排煙管道29相接；熱源供給系統中的管爐15的一端在電池安放系統附近；測量及監控系統中的高速攝像儀13處於燃燒室1的左壁上；滅火系統中的A輸送管道17的一端穿過燃燒室1的右壁與噴頭16連接。

所述的前門3的材質為能防火、防爆的有機透明玻璃，易於觀察試驗過程實時動態，同時保證動力鋰電池發生熱失控噴出氣體時不會破碎。

所述的前門3與左壁相接，前門3能夠打開和關閉；前門3右側設有把手，方便工作人員打開和關閉前門3。

所述的電池安放系統包括支架4、鋼座5、固定鋼管6；其中，支架4上是鋼座5，鋼座5上是固定鋼管6，支架4與鋼座5、鋼座5與固定鋼管6之間均通過螺絲固定；所述支架4為不鏽鋼支架，所述鋼座5為絕緣材料製成，厚度為2cm；所述鋼座5上端設有熱電偶10和壓力傳感器11，熱電偶10和壓力傳感器11通過安裝孔固定在鋼座5上，熱電偶10和壓力傳感器11通過引線穿孔8中的鎳鉻合金線與實驗室外部的數據採集儀連接；所述鋼座5上有開孔25。

所述排煙系統包括煙氣收集器27、防爆風機28、排煙管道29和排煙防火閥30；其中，煙氣收集器27置於燃燒室1的頂板上並與排煙管道29相接，可在必要時抽排電池火災滅火過程釋放的氣體和氣體燃燒產物；防爆風機28處於煙氣收集器27與排煙管道29銜接處，可防止火災滅火過程中產生的有毒有害氣體積聚過快引起爆炸；所述排煙防火閥30由閥體、葉片、執行媒介和溫感器組成，處於排煙管道29上。

所述熱源供給系統包括氣體（丙烷）燃燒器14與1000W管爐15；其中，管爐15的一端穿過燃燒室1的右壁處在電池安放系統附近，管爐另一端與氣體燃燒器相接；管爐15直徑8.5cm，管爐壁厚度1.5cm；試驗時，打開管爐加熱器，待動力鋰電池溫度達到90℃時，打開丙烷燃燒器，在動力鋰電池發生熱失控後，開始噴灑滅火劑。

所述測量及監控系統包括熱電偶10、輻射熱計9、壓力傳感器11、高速攝像儀13；其中，輻射熱計9、高速攝像儀13處於燃燒室1的左壁上；所述壓力表20主要用於監測含表面活性劑細水霧專用滅火系統的壓力；所述熱電偶10主要用於記錄火災滅火過程動力鋰電池周圍溫度變化；所述輻射熱計9用來記錄動力鋰電池被引燃後，起火部位對其它未燃區域的熱輻射；所述壓力傳感器11主要用於測量動力鋰電池表面承受的滅火劑的壓力；所述高速攝像儀13主要用於記錄燃燒室1內動力鋰電池受熱、釋放氣體、燃燒、爆炸、熄滅的實時動態。

所述滅火系統為含表面活性劑細水霧專用滅火系統，包括噴頭16、A輸送管道17、壓力表20、減壓閥21、流量計19、控制閥18、泵組22、吸水管23，滅火劑儲罐24；其中，噴頭16通過輸送管道17與泵組22相連，輸送管道17上接有壓力表20、減壓閥21、流量計19、控制閥18，泵組22通過吸水管23與滅火劑儲罐24相連；所述噴頭16為錐形離心式細水霧噴頭，是由若干個微型孔口構成，為了防止噴頭堵塞，影響滅火效果，系統還設有過濾器；噴頭安裝在距燃燒室頂板0.5m；所述泵組22用螺栓連接的方式連接到角鐵架上，角鐵架固定在地面，泵組吸水管上的變徑處採用偏心大小頭連接，吸水管的尾端插入滅火劑儲罐底部；所述滅火劑儲罐24的材質為防腐蝕材料製成，滅火劑儲罐罐口用O型圈密封，滅火劑儲罐所處的環境溫度滿足試驗要求，必要時可採用外部冷卻裝置，以確定溫度保持在規定的範圍內；所述輸送管道之間的焊接採用對口焊接，輸送管道外徑20mm，能夠承受輸送管道充滿滅火劑時重量及衝擊，同時對輸送管道採取導除靜電的措施，滅火系統中的A輸送管道17的一端穿過燃燒室1的右壁與噴頭16連接，另一端與泵組22連接；A輸送管道17與噴頭16的連接採用O型圈密封，A輸送管道17穿過燃燒室1右壁使用套管，A輸送管道17與套管間的空隙採用防火封堵材料填塞。管道的安裝依據《工業金屬管道工程施工規範》GB 50235和《現場設備、工業管道焊接工程施工規範》GB 50236；所述流量計19顯示試驗過程滅火劑的流量；所述控制閥18用來控制滅火過程中滅火劑的流量；所述壓力表20用來檢測含表面活性劑細水霧的壓力；所述減壓閥21用來控制含表面活性劑細水霧的壓力。

所述廢液處理系統包括B輸送管道31和回收罐26，所述B輸送管道31的首端穿過燃燒室1的右壁與電池安放系統中的鋼座5上的開孔25相接，B輸送管道31的尾端與回收罐26罐口密封相接，所述B輸送管道31的與開孔25和回收罐26罐口的連接均採用O型圈密封；所述回收罐26材質為防腐蝕型，不與殘液發生任何反應，方便對收集到的殘液進行PH、酸鹼度等測試。

所述燃燒室1為1.5×1.5×1.5m正六面體，底板、頂板、左壁、右壁和後壁均為不鏽鋼鋼板，鋼板裡面一層是防火板，周圍骨架均為不鏽鋼鋼管。

所述通風孔7主要用於內部放置的動力鋰電池的散熱以及室內壓力的洩放，若實驗過程中需要密閉環境亦可關閉。

所述鋼座為Kaowool絕緣材料，尺寸為80×80cm,厚度為2cm，鋼座上端設有熱電偶和壓力傳感器安裝孔，鋼座由支架支撐，支架為不鏽鋼支架，支架高度為50cm；鋼座與固定鋼管、鋼座與支架之間用螺絲固定。

所述高速攝像儀安裝在燃燒室左壁，距燃燒室左壁低端1.2m，高速攝像儀與左壁之間用支架和螺絲連接、固定，主要用於記錄燃燒室內電池受熱、釋放氣體燃燒、爆炸、熄滅的實時動態；所述熱電偶為K型熱電偶，安裝在動力鋰電池固定鋼座安裝孔中，熱電偶分布在動力鋰電池的周圍，主要用於記錄滅火過程電池周圍溫度變化，K型熱電偶測溫範圍為0～1000℃；所述輻射熱計安裝在燃燒室左壁，與引線穿孔和動力鋰電池在同一水平高度，用來記錄動力鋰電池被引燃後，起火部位對其它未燃區域的熱輻射，進而模擬實際火災情況下，輻射熱流的變化規律，輻射熱計量程為0-100KW/m2，精度為1%，距探測點0.6m；所述壓力傳感器安裝在動力鋰電池固定鋼座安裝孔中，壓力傳感器分布在動力鋰電池的前面和後面，主要用於測量電池表面承受的滅火劑的壓力；熱電偶和壓力傳感器通過鎳鉻合金線與燃燒室外的數據採集儀連接。

常用滅火劑噴頭的設計參數是根據相關標準中的數據表取各區的較大值所得，均沒有涉及到平均噴灑強度的概念，而噴頭的實際噴灑情景中，相互有不等的雙、三、甚至多次重疊覆蓋的區域（圖5陰影區域即重疊覆蓋），從滅火效果的角度，以最薄弱的地方作為滅火的最低控制指標比較合理。為適應各種情況，滅火劑噴頭的性能上自然要求其噴灑分布越均勻越好，在這個前提下，非重疊噴灑區域的噴灑強度較薄弱，以之作為設計參數的控制標準，這樣，包括噴灑重複覆蓋區在內的平均噴灑強度值將大於滅火試驗定出的最小所需噴灑強度值。此時，最不利作用面積內，噴頭噴灑重複覆蓋區越多，入口處所需的流量就越大，為保證末端壓力，就要更大的管徑減少滅火劑損失，一些措施，用錐形（如圖6）的噴頭可減少重複覆蓋，提高滅火效果。

表1列出了目前常用的幾種滅火介質，分別從滅火機理、安全、環保特性等方面進行了比較。

表1