Analiza skuteczności tłumienia pożaru baterii litowo-jonowych za pomocą instalacji mgły wodnej niskociśnieniowej z dyszą DMS [rozprawa doktorska] - Akademia Pożarnicza (2023 - ); Kraus-Namroży, Natalia; Brzezińska, Dorota (Warszawa Akademia Pożarnicza, 2024)
W pracy zatytułowanej „Analiza skuteczności tłumienia pożaru baterii litowo jonowych za pomocą instalacji mgły wodnej niskociśnieniowej z dyszą DMS” autorka przedstawiła badania nad odziaływaniem mgły wodnej na pożar baterii litowo jonowych (LIB). W trakcie dziesięcioletniej praktyki autorki przy projektowaniu i nadzorze instalacji gaśniczych zauważyła ona potrzebę odpowiedzi na pytania, czy istnieje możliwość stłumienia i kontrolowania pożaru LIB za pomocą instalacji mgły wodnej niskociśnieniowej (IMN), jak stworzyć do tego optymalne warunki i jakie są w tym obszarze ograniczenia. W tym celu przeprowadzona została seria badań eksperymentalnych, początkowo z użyciem pojedynczych ogniw LIB, następnie niewielkich modułów i wreszcie zestawów baterii, na poziomie odpowiadającym magazynom energii. Potwierdziły one dużą skuteczność IMN w zakresie ograniczenia rozprzestrzeniania się pożaru nawet w większych zestawach LIB, jakie coraz częściej wykorzystywane są w celu magazynowania energii elektrycznej, zarówno w skali przydomowej, jak i przemysłowej. Literatura przedmiotu potwierdza, że pożary LIB można skutecznie tłumić za pomocą instalacji gaśniczych wodnych. Większość badań w tym zakresie sugeruje jednak użycie bardzo dużych ilości wody, która ma za zadanie zarówno ugaszenie pierwotnego źródła pożaru, jak i chłodzenie jego otoczenia. Okazuje się jednak, że istotny wpływ na czas i jakość tłumienia ma wielkość kropli generowana przez zastosowany rozpylacz. W celu dokładnego zbadania tego problemu autorka w 2023 roku przeprowadziła badania laboratoryjne, przy użyciu rozpylacza wytwarzającego mgłę wodną. Mgła wodna jest to spray wodny, dla którego sumaryczne objętościowe rozpylenie kropli wody Dv0,9 jest mniejsze niż 1000 µm przy minimalnym projektowanym ciśnieniu roboczym na dyszy mgłowej. Wyniki tych badań pozwoliły wysnuć tezę, że IMN tłumi i kontroluje pożary LIB. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia na wstępie przegląd literatury przedmiotu, a następnie opis i wyniki przeprowadzonych przez autorkę badań eksperymentalnych. Całość zwieńczona została analizą wyników, dyskusją i uogólnionymi wnioskami w zakresie skuteczności tłumienia i kontrolowania pożaru LIB za pomocą IMN z dyszą DMS. Rozdział 1 przedstawia genezę tematu i zarysowuje wstępnie problematykę poruszoną w ramach niniejszej rozprawy. Rozwój rynku LIB oraz zagrożenia związane z ich użytkowaniem, a także brak norm i przepisów, wymagają podjęcia tematu w zakresie zabezpieczenia instalacją gaśniczą LIB. Rozdział 2 zawiera opis celu pracy wraz ze szczegółowym omówieniem jej zakresu. W oparciu o przeprowadzoną analizę danych literaturowych oraz własne obserwacje na temat skuteczności tłumienia i kontrolowania pożaru LIB za pomocą IMN sformułowano tu także tezę, że IMN z odpowiednio rozmieszczonymi dyszami DMS, może tłumić i kontrolować pożar LIB. W rozdziale 3 przedstawiono przegląd literatury dotyczącej pożaru LIB oraz zasad jego tłumienia i kontrolowania. Omówiono aktualny stan wiedzy w zakresie budowy ogniwa LIB, charakterystyki jego pożaru oraz instalacji gaśniczych, ze szczególnym uwzględnieniem IMN. Rozdział 4 stanowi przegląd literatury dotyczącej zjawiska rozpylania cieczy. Scharakteryzowano tu rozpylacze w zależności od wykorzystanej energii użytej do rozpylenia cieczy. Ponadto opisano właściwości oraz parametry rozpylanej wody mające bezpośredni wpływ na rozpylanie cieczy. Rozdział 5 opisuje badania eksperymentalne parametrów wody rozpylonej przez dyszę DMS, w tym stanowisko laboratoryjne stworzone przez autorkę do pomiaru wielkości kropli badanego rozpylacza oraz jego makroparametrów. Dzięki uzyskanym pomiarom autorka scharakteryzowała średnie średnice objętościowe kropli rozpylanej przez dyszę DMS, zasięg strumienia dyszy, jej kąt rozpylenia oraz współczynnik wypływu K . W rozdziale tym została opisana metodyka pomiaru oraz przedstawiona analiza uzyskanych wyników. Wielkość kropli użytej w badaniach dyszy mgłowej została określona na czterech osiach X+, X-, Y+ oraz Y-. Badanie wielkości kropel oraz określenia makroparametrów dyszy DMS polegało na przeprowadzeniu pomiarów dla różnych wartości ciśnienia w zakresie od 4 do 12 bar. Na tej podstawie potwierdzone zostało, że dysza DMS może być zakwalifikowana jako mgłowa i użyta do dalszych badań. W rozdziale 6 zostały opisane badania eksperymentalne wpływu IMN z zastosowaną dyszą DMS na tłumienie i kontrolowanie pożarów pakietów LIB oraz zestawów modułów LIB. Badania zostały przeprowadzone w dwóch etapach. Etap pierwszy obejmował 4 testy w skali mikro, w których pakiet paliwowy składał się z 20 ogniw LIB: • Test 1 – 20 ogniw, 30% naładowania – bez gaszenia, 5 • Test 2 – 20 ogniw, 100% naładowania – bez gaszenia, • Test 3 – 20 ogniw, 30% naładowania – gaszenie instalacją mgłową niskociśnieniową, • Test 4 – 20 ogniw, 100% naładowania – gaszenie instalacją mgłową niskociśnieniową. Badane ogniwa LIB zbudowane były z anody na bazie grafitu interakcyjnego oraz katody na bazie litowanego tlenku kobaltu i niklu o pojemności znamionowej 4,7 Ah i napięciu nominalnym 3.63 V. W drugim etapie zostały przeprowadzone 4 testy pożarowe w skali makro, polegające na tłumieniu i kontrolowaniu pożaru modułów LIB, w których skład wchodziło 51 ogniw identycznych jak poprzednio, umieszczonych na półkach regału, i poddanych następującym wariantom gaszenia: • Test 1 - gaszenie instalacją mgłową niskociśnieniową, • Test 2 - gaszenie instalacją mgłową niskociśnieniową z AFFF 3%, • Test 3 - gaszenie instalacją mgłową niskociśnieniową z AFFF 5%, • Test 4 – brak gaszenia pierwszego modułu; instalacja mgłowa została włączona po zapaleniu się drugiego modułu w celu kontroli testu. Rozdział ten przedstawia także wyniki powyższych testów i ich analizę. Potwierdzone zostało znaczne obniżenie temperatury pożaru LIB pod wpływem oddziaływania IMN z dyszą DMS we wszystkich przeprowadzonych testach. Rozdział 7 stanowi podsumowanie i wnioski płynące z przedstawionego przeglądu literatury i przeprowadzonych badań własnych autorki. Zrealizowane badania pozwoliły na potwierdzenie tezy o tłumieniu i kontrolowaniu pożaru LIB IMN z zastosowaną dyszą DMS. Ponadto umożliwiły sformułowanie następujących wniosków: • System mgły wodnej niskociśnieniowej z dyszami DMS kontroluje pożar LIB, zapobiegając jego rozprzestrzenianiu się na sąsiadujące moduły, nawet w przypadku pożaru silnie rozwiniętego. • Istotne jest chłodzenie całego zestawu modułów, a nie ugaszenie pojedynczego modułu. Podczas działania instalacji, kolejny wybuch zawsze następował w zajętym pożarem module- nigdy w sąsiadującym. • System mgły wodnej niskociśnieniowej znacząco obniża temperaturę pożaru (w teście 1 temperatura obniżyła się w ciągu 5 s z 711˚C do 186˚C czyli o 73%). • Dodatek użytego typu AFFF nie wpływa znacząco na poprawę skuteczności gaśniczej LIB za pomocą mgły wodnej. Rozdział 8 przedstawia proponowane dalsze kierunki badań, dzięki którym możliwe będzie właściwe zabezpieczenie LIB instalacją gaśniczą. Przedstawiona rozprawa doktorska opracowana została na podstawie 65 pozycji bibliograficznych, składa się łącznie z 8 rozdziałów, zawiera 65 rycin i 13 tabel [Streszczenie Autorki]
Sygnatura RD-23
Bibliografia, wykaz norm i aktów prawnych na stronach 100-106.
Keywords: Akcja gaśnicza; Rozprawa doktorska; Mgła wodna; Baterie