Comparison of Different Models for the Design of Gas-Driven Fire Protection Systems: From Ideal Gas to Real Gas Models

Abstract

Für die Auslegung einer Brandbekämpfungsanlage mit einem Gas-Powered Power Pack (GPP) ist es aufgrund rechtlicher Vorgaben notwendig, während des Sprühvorgangs zu jedem Zeitpunkt einen minimalen Sprühdruck zu übertreffen. Wegen Realgaseffekten ist eine analytische Abschätzung jedoch kaum möglich und ein Trial-and-Error-Verfahren während der Konstruktion der Anlage wäre nicht wirtschaftlich. Deshalb wurden drei Modelle zur numerischen Simulation der zeitlichen Entwicklung von Druck und Temperatur einer einfachen GPP-Brandbekämpfungsanlage entwickelt. Diese basieren in aufsteigender Komplexität auf der idealen Gasgleichung, der van-der-Waals-Gleichung und einer Realgasbeschreibung, die eine an experimentelle Daten angepasste Helmholtz-Zustandsgleichung und tabellierte Realgasdaten verwendet. Alle Modelle waren in der Lage die qualitative Form der Druckkurven zu beschreiben. Das Realgasmodell wies jedoch, wie zu erwarten, eindeutig die besten Ergebnisse, im Vergleich zu zwei für diese Arbeit durchgeführten Experimenten mit Argon und unterschiedlichen Startdrücken, auf. Aufgrund von Näherungen in der Beschreibung der Systemgeometrie und der Vernachlässigung dynamischer Effekte war aber selbst das Realgasmodell nicht in der Lage, perfekte Vorhersagen zu liefern. Dennoch erscheinen die Fehler des Realgasmodells klein genug, sodass dieses als vielversprechender Ansatz zur Entwicklung von realistischeren Simulationsprogrammen, welche im industriellen Auslegungsprozess genutzt werden können, angesehen werden kann.

For the design of a GPP (Gas-Powered Power Pack) firefighting system to be used in rail vehicles, it is legally required to exceed spraying pressure minima at all times throughout the spraying process. However, because of real gas effects, a purely analytical calculation of the time dependence of the pressure in the system is hardly possible and a trial-and-error approach during system construction is economically not feasible. In this thesis work, three models were developed to numerically simulate the temporal development of pressure and temperature of a simple GPP firefighting system. They were based, in order of increasing complexity, on the ideal gas law, the van der Waals gas law and a real gas description using an experimentally fitted Helmholtz equation of state as well as tabulated real gas data. While all models were able to capture the qualitative form of the pressure curves, as one expected, the real gas model yielded the best results when compared to two experiments specifically performed for the scope of this thesis with argon at different starting pressures. Due to approximations of the system geometry and neglected dynamic effects, even the real gas model displayed deviations with respect to the experiment. However, these errors appear to be small enough, to regard the real gas model as a promising approach toward the development of realistic simulation tools for the industrial system layout process.