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隔热层/细水雾及其协同策略对锂离子电池热失控传播的影响研究

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隔热层/细水雾及其协同策略对锂离子电池热失控传播的影响研究

作者：唐琪中国科学技术大学

学位级别：硕士

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,而热失控在电池模组内的传播更是导致大规模电池火灾与爆炸事故的直接原因,亟需可靠的方法对其进行有效防控。热失控传播的主要路径在于热失控电池释放的热量通过热传导、辐射等方式传递给相邻电池... 详细信息

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,而热失控在电池模组内的传播更是导致大规模电池火灾与爆炸事故的直接原因,亟需可靠的方法对其进行有效防控。热失控传播的主要路径在于热失控电池释放的热量通过热传导、辐射等方式传递给相邻电池,因此防控的关键在于控制电池间的传热,目前主要的控制手段包括在电池间插入低导热率隔热层的被动防控措施和施加冷却灭火介质的主动防控措施,在冷却介质中细水雾又因其出色的冷却能力而被首选为热失控抑制介质。前人在热失控传播抑制方面的研究大多侧重于隔热、散热的单一抑制策略,但目前的单一抑制策略往往抑制能力不足,难以起到显著作用,因此,为进一步探求热失控传播的有效抑制手段,有必要开展隔热层隔热和细水雾吸热协同抑制策略下电池模组内灾害传播抑制的有效性研究,以期为发展协同高效的锂离子电池热失控抑制策略提供必要的数据支撑。本文通过自主搭建的小尺度锂离子电池热失控传播抑制实验台,以7 Ah方形三元锂离子电池为研究对象,开展了隔热层/细水雾及其协同抑制策略下热失控灾害传播抑制的有效性研究,对比分析了不同抑制策略下的热失控传播速度、时间间隔、热失控触发时间等热失控动力学参数及温度、温度变化速率、加热速率、散热速率等热参数的变化规律,并结合电压、实验现象获得了不同条件下的临界抑制参数,揭示了协同策略的抑制机制。同时,提出了不同SOC下隔热层厚度/细水雾施加时间对热失控传播时间间隔的推导公式。通过改变隔热层厚度、细水雾施加时间,开展了隔热层隔热、细水雾吸热两种单一抑制策略下热失控传播研究。结果表明:隔热层的添加可有效延缓甚至阻断75%SOC以下电池模组的热失控传播进程,但对高SOC的效果却不佳,隔热层的插入会导致电池模组出现严重的聚热现象,使初始电池提前触发热失控;细水雾的施加可延缓甚至部分阻断热失控传播进程,但对于75%SOC以上的电池模组总是存在细水雾冷却速率小于相邻电池的加热速率的情形,一旦电池表面温度超过临界控制温度,细水雾的冷却速率便会小于电池的加热速率,从而导致热失控抑制失效。基于单独抑制策略的抑制不足,对单独抑制失效工况下的抑制策略进行了优化,展开了协同抑制策略对热失控传播抑制的有效性研究。发现隔热层与细水雾协同抑制策略对75%SOC以上电池模组的热失控灾害传播具有显著的抑制效果,协同策略抑制锂离子电池热失控传播的机制在于先隔热主导再散热主导,隔热层减小了电池间热传导速率,延长了电池自身的散热和细水雾的冷却吸热时间,细水雾吸热减少了电池间热量传递,从而成功阻断了热失控传播;相较于隔热层隔热及细水雾吸热单一抑制策略,协同抑制策略的抑制效果更优,抑制后电池模组热失控的严重程度更小,热失控释放的有毒气体CO、SO2的浓度分别下降了 21%、30%;并且对未失效电池的容量等性能影响较小,容量退化率小于1%。本文所研究的协同抑制策略可有效改进隔热层隔热及细水雾吸热单一抑制策略的不足,从而为实际工程提供一定参考。

关键词：锂离子电池热失控传播隔热层细水雾协同抑制

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细水雾在瓦斯输送管道中的沉降规律

煤炭学报 2016年第6期41卷 1441-1446页

作者：王发辉余明高裴蓓河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454003

为研究不同喷雾压力、不同气流速下水雾在管道内的沉降特性,搭建了管道喷雾实验台,采用粒子图像速度仪(PIV)对方形管道内的水雾运动特性进行了测量,分析了喷雾压力和气流速度对水雾沉降特性的影响规律。结果表明:当气流速度一定,喷雾压... 详细信息

为研究不同喷雾压力、不同气流速下水雾在管道内的沉降特性,搭建了管道喷雾实验台,采用粒子图像速度仪(PIV)对方形管道内的水雾运动特性进行了测量,分析了喷雾压力和气流速度对水雾沉降特性的影响规律。结果表明:当气流速度一定,喷雾压力从0.1 MPa增加到1.3 MPa时,水雾在喷嘴下游管长为1 m管道内的沉降量增加了96%,沉降的主要原因是碰壁沉降,而在1 m之后的管段内水雾沉降量减少了76%,沉降的主要原因是惯性沉降;当喷雾压力一定,气流速度从1.1 m/s增加到10.4 m/s时,水雾在管长为1 m管道内的沉降量降低了24%,在1 m之后的管道内沉降量减少了17%。

关键词：细水雾瓦斯输送沉降 PIV

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细水雾系统在建筑灭火应用中的理论研究

北京工业大学学报 2006年第9期32卷 802-807页

作者：李炎锋李俊梅周允基孙育英北京工业大学建筑工程学院北京100022 香港理工大学屋宇设备工程学系

为了预测细水雾系统在连续运行和间歇运行方式下有障碍火焰熄灭情况,基于受限空间内的气体成分的质量守恒和空间的能量守恒,建立了一个预测受限空间内细水雾系统灭火效果的瞬态模型．该模型对于受限空间温度、干态氧气体积分数能进行较... 详细信息

为了预测细水雾系统在连续运行和间歇运行方式下有障碍火焰熄灭情况,基于受限空间内的气体成分的质量守恒和空间的能量守恒,建立了一个预测受限空间内细水雾系统灭火效果的瞬态模型．该模型对于受限空间温度、干态氧气体积分数能进行较好的预测研究;在同样的火焰情况下,采用间歇运行方式能提高灭火效果而且减小耗水量．

关键词：细水雾间歇运行区域模型灭火

细水雾对空气球–球短间隙工频击穿特性的影响

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高电压技术 2019年第5期45卷 1638-1646页

作者：陈宝辉陆佳政王博闻胡建平方针黄守道电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室(国网湖南省电力公司防灾减灾中心) 长沙410007 湖南大学电气与信息工程学院长沙410082

细水雾是一种新兴的高效灭火技术,但其绝缘性能一直缺乏研究。火灾消防用细水雾的雾滴直径为50～400μm,介于雾霾颗粒(1 mm)之间。为此研究细水雾雾滴直径、雾滴间距与球隙工频击穿场强的关系。试验获得了细水雾雾滴直径与击穿场强的变... 详细信息

细水雾是一种新兴的高效灭火技术,但其绝缘性能一直缺乏研究。火灾消防用细水雾的雾滴直径为50～400μm,介于雾霾颗粒(1 mm)之间。为此研究细水雾雾滴直径、雾滴间距与球隙工频击穿场强的关系。试验获得了细水雾雾滴直径与击穿场强的变化关系。研究表明,对于1.5 cm及以下的球隙,火灾消防用细水雾的击穿场强较空气更低,雾滴直径是影响细水雾击穿场强的主要原因。细水雾添加剂显著提升细水雾的灭火效率,因此研究了KCl、氟碳表面活性剂FC-1470等典型添加剂对细水雾球–球短间隙工频击穿特性的影响。研究表明强电解质细水雾添加剂KCl显著降低纯水细水雾短球隙击穿场强,降低幅度达24.8%,弱电解质细水雾添加剂FC-1470对纯水细水雾短球隙击穿场强的影响相对较小,降低幅度只有7.5%。研究结果对细水雾在高电压火灾带电灭火的安全应用具有一定的指导意义。

关键词：细水雾球电极短间隙击穿场强闪络电压

不同压力细水雾抑制三元锂离子电池热失控效果试验研究

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消防科学与技术 2023年第5期42卷 681-685页

作者：张军王子阳陆睿哲姚斌合肥市消防救援支队安徽合肥230001 合肥科大立安安全技术有限责任公司安徽合肥230088 安徽省消防救援总队安徽合肥230000 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026

为探究瓶组式细水雾灭火装置在存储和使用过程中的压力变化对150 Ah大容量三元锂离子电池热失控抑制效果的影响,搭建了锂离子电池燃烧抑制试验平台,开展了锂离子电池热失控抑制试验。结果表明:试验条件下,细水雾压力越大抑制热失控所需... 详细信息

为探究瓶组式细水雾灭火装置在存储和使用过程中的压力变化对150 Ah大容量三元锂离子电池热失控抑制效果的影响,搭建了锂离子电池燃烧抑制试验平台,开展了锂离子电池热失控抑制试验。结果表明:试验条件下,细水雾压力越大抑制热失控所需时间越短;1.2 MPa细水雾扑灭锂离子电池明火后存在复燃现象;在成功扑灭锂离子电池热失控明火的条件下,10 MPa细水雾耗水量最少;压力衰减会降低瓶组式细水雾的灭火效果。试验可以为细水雾灭火装置抑制大容量三元锂离子电池热失控的系统选型和运行维护提供参考。

关键词：锂离子电池热失控细水雾压力降温效率

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细水雾熄灭K类火灾的全尺寸模拟实验

燃烧科学与技术 2006年第4期12卷 318-322页

作者：房玉东刘江虹林霖廖光煊中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230027

利用ISO 9705全尺寸多功能热释放速率测试仪在开放空间研究了细水雾作用下K类火灾的发展过程,实验中对细水雾作用下食用油火的温度、热释放速率及烟气的主要特性参数变化规律进行了测量与研究,分析了预燃时间对灭火有效性的影响,系统地... 详细信息

利用ISO 9705全尺寸多功能热释放速率测试仪在开放空间研究了细水雾作用下K类火灾的发展过程,实验中对细水雾作用下食用油火的温度、热释放速率及烟气的主要特性参数变化规律进行了测量与研究,分析了预燃时间对灭火有效性的影响,系统地阐述了细水雾作用下K类火灾关键特性参数的变化规律．实验发现,细水雾可以有效地抑制K类火灾的发展,在其作用下火焰温度及热释放速率快速降低,并可以有效地冲刷烟气,降低一氧化碳及二氧化碳的浓度,提高氧气的浓度及火场能见度．同时利用稳定火源热释放速率模型计算了K类火灾发展阶段的热释放速率,与实验测量结果比较发现,模型可准确地预测K类火灾发展阶段的热释放速率的变化规律．

关键词：细水雾 K类火热释放速率消光系数

细水雾遮蔽红外辐射的蒙特卡洛模拟及透射场分析

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光子学报 2014年第5期43卷 151-155页

作者：张硕浦金云李东臻吴昌明海军工程大学动力工程学院海装武汉局海军92196部队

基于蒙特卡洛法,对水雾遮蔽热辐射衰减建立了光子状态序列的追踪模型.利用该模型对水雾粒子的多重散射进行模拟,分析了影响水雾消光性能的消光系数、水雾浓度、不对称因子等参数,发现不对称因子也是影响水雾隐身性能的重要参数.研究表明... 详细信息

基于蒙特卡洛法,对水雾遮蔽热辐射衰减建立了光子状态序列的追踪模型.利用该模型对水雾粒子的多重散射进行模拟,分析了影响水雾消光性能的消光系数、水雾浓度、不对称因子等参数,发现不对称因子也是影响水雾隐身性能的重要参数.研究表明:对于消光系数相同的介质,不对称因子越小越有利于衰减目标热辐射强度,而采用朗伯比尔定律则不能获得此结论;在雾粒子半径远大于红外波长的情况下,提高水雾的浓度并减小粒子半径可有效提高水雾的衰减作用.

关键词：红外辐射透射场细水雾蒙特卡洛法不对称因子模拟

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高压细水雾在交通枢纽设备房的火灾试验研究

消防科学与技术 2023年第8期42卷 1094-1098页

作者：罗曼王子阳储兵石晓龙深圳地铁建设集团有限公司广东深圳518000 合肥科大立安安全技术有限责任公司安徽合肥230088

为研究高压细水雾对轨道交通枢纽站设备用房电缆火灾的保护效果,采用实体试验的方法,建立了轨道交通枢纽站设备用房全尺寸试验模型,阐述了细水雾灭火机理、主要设计参数、系统选型。结果表明:预作用式高压细水雾能够有效抑制电缆火燃烧... 详细信息

为研究高压细水雾对轨道交通枢纽站设备用房电缆火灾的保护效果,采用实体试验的方法,建立了轨道交通枢纽站设备用房全尺寸试验模型,阐述了细水雾灭火机理、主要设计参数、系统选型。结果表明:预作用式高压细水雾能够有效抑制电缆火燃烧,阻止电缆火在水平方向上的蔓延;细水雾施加一段时间后,试验环境温度恢复至25℃左右,且施加细水雾后氧气体积分数变化幅度较小,最低为20.62%,不会对人体造成伤害;预作用式细水雾系统能够减少水渍损失。

关键词：城市轨道交通枢纽站设备用房预作用系统细水雾电缆火灾

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细水雾作用初期对烟气层沉降影响

哈尔滨工程大学学报 2020年第12期41卷 1779-1784,1876页

作者：孟迪霍岩董惠哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对高压细水雾系统产生的小粒径液滴对稳定烟气层的影响问题,本文对热烟气和细水雾进行研究。建立了细水雾与烟气相互作用的理论沉降模型,采用动力学理论分析了两者相互作用关系,给出了烟气层的无量纲稳定性判据和烟气首次失稳沉降距... 详细信息

针对高压细水雾系统产生的小粒径液滴对稳定烟气层的影响问题,本文对热烟气和细水雾进行研究。建立了细水雾与烟气相互作用的理论沉降模型,采用动力学理论分析了两者相互作用关系,给出了烟气层的无量纲稳定性判据和烟气首次失稳沉降距离预测公式。充分考虑了理论沉降模型中的动态变化特性,并以全尺寸机舱模拟结果进行了模型有效性验证,得到了相近尺寸下判定烟气稳定性的阈值。研究发现:细水雾的动量冲击会使稳定烟气层呈现维持稳定、悬空沉降和下沉地面3种状态之一,拖曳力与浮力之间的相互竞争是造成烟气在悬空沉降过程中在回升振荡的原因,使用无量纲稳定性判据可以反映烟气沉降的相对严重程度。研究结果对了解烟气沉降危害的机理及烟气失稳程度的预测有一定的参考价值。

关键词：两相流理论沉降模型稳定性判据烟气流动细水雾场模拟烟气层浮力沉降高度