Способ контроля герметичности подземного кабеля

 

Изобретение относится к способам контроля герметичности подземного кабеля городской телефонной сети, проложенного в многолетнемерзлых породах, и позволяет исключить повреждение подземного кабеля путем исключения конденсации в нем влаги подаваемого воздуха. Воздух сжимается, охлаждается, сорбционно очищается и подается в подземный кабель. Измеряют расход подаваемого воздуха при постоянном давлении в кабеле, по увеличению расхода до аварийного судят о негерметичности кабеля. Перед сжатием воздух дополнительно охлаждают путем пропускания через теплообменный трубопровод, расположенный в зоне вечной мерзлоты, а охлаждение перед сорбционной очисткой осуществляют в холодильной камере до температуры не более 0^oC. Количество воздуха, пропускаемое через теплообменный трубопровод в зимнее время, выбирают из условия охлаждения в нем воздуха в летнее время при аварийном расходе на выходе из теплообменного трубопровода до температуры не более 0^oC, а возникший избыток воздуха в зимнее время сбрасывают после сжатия. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и позволяет контролировать герметичность подземного кабеля городской телефонной сети, проложенного в многолетнемерзлых породах. Целью изобретения является исключение повреждения подземного кабеля путем исключения конденсации в нем влаги подаваемого воздуха. На чертеже изображена схема устройства для реализации способа контроля герметичности подземного кабеля. Устройство содержит заборное отверстие 1, соединенное теплоизолированным каналом 2 с теплообменным трубопроводом 3. Последний через теплоизолированный канал 4 соединен с компрессором 5, который через трубопровод 6 с клапаном 7 соединен с холодильной камерой 8, связанной с сорбирующей установкой 9. Эта установка соединена с подземной кабельной сетью 10, которая, как и теплообменный трубопровод 3, расположена ниже глубины 11 сезонного протаивания грунта. Способ контроля герметичности подземного кабеля осуществляется следующим образом. Наружный воздух подается в подземную кабельную сеть 10 через последовательно соединенные заборное отверстие 1, теплоизолированный канал 2, теплообменный трубопровод 3, теплоизолированный канал 4, компрессор 5, трубопровод 6 с клапаном 7, холодильную камеру 8 и сорбирующую установку 9. При этом перед сорбирующей установкой воздух охлаждается в холодильной камере до температуры не более 0^oC, что обеспечивает наиболее благоприятную работу сорбционных колонок и исключение замерзания конденсата в холодильной камере 8, в результате чего конденсат удаляется путем слива. При этой температуре относительная влажность воздуха не выше 30% что исключает конденсатообразование в кабельной сети 10 при понижении температуры до -16^oC. Пропускание же воздуха через теплообменный трубопровод 3 позволяет в летний период получить на входе в компрессор 5 температуру воздуха не выше 0^oC. Это обеспечивает надежную работу холодильной установки, рассчитанной на компенсации тепла адиабатического сжатия воздуха в компрессорной установке. После создания определенного давления воздуха в кабельной сети 10 осуществляют периодическую подачу номинального количества воздуха для поддержания заданного давления в этой сети. Номинальное количество воздуха определяется уровнем утечек из сети. При аварийном повреждении кабельной сети 10, например, из-за морозного растрескивания грунта давление в ней падает и автоматически количество воздуха, подаваемого в кабельную сеть 10 для сохранения прежнего уровня давления, увеличивается. По величине аварийного расхода воздуха и давлению в кабельной сети определяют место повреждения кабеля. В зимний период времени в теплообменный трубопровод 3 и компрессор 5 подается увеличенное количество воздуха, избыток которого стравливается клапаном 7. Это необходимо для создания расчетного уровня проморозки грунта вокруг теплообменного трубопровода 3 и исключения повышения температуры воздуха на выходе из него до температуры не более 0^oC при аварийном расходе воздуха в летнее время. Температура воздуха в теплый период года в конце теплообменного трубопровода 3 может быть определена с достаточной для инженерных расчетов точностью из выражения, полученного из решения уравнения теплового баланса для трубопровода, которое имеет вид t^л_к = t^л_о+(T_l-t^л_o)A_л, (1) A_л= K^k_τU1/G_aC^k_р, (2) где t^k_к,t^k_о температура воздуха в конце и начале трубопровода 3 в теплый период года, ^oC; T_e средняя температура пород вокруг трубопровода 3 к моменту подачи воздуха с положительной температурой, ^oC; U, l периметр и длина трубопровода 3, м; C^k_р теплоемкость влажного воздуха, Дж/кг·K; K^k_τ коэффициент нестационарного теплообмена, Вт/м²·K; G_α аварийный расход воздуха в системе в летний период, кг/c. Коэффициент нестационарного теплообмена определяется из решения задачи теплообмена воздуха, движущегося в трубопроводе, с окружающими породами и имеет вид K^л_τ = [1/α+(R_o/λ)ln(1+4aτ/R²_o)^0,5]^-1Вт/м²·K, (3)
где α коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м²·K;
R_о радиус трубопровода 3, м;
l коэффициент теплопроводности грунта, Вт/м·K;
a коэффициент температуропроводности грунта, м²/c;
t длительность периода прогрева или охлаждения, с. Выполненные расчеты показывают, что для всех диапазонов изменения параметров, входящих в выражение (3), в реальных условиях эксплуатации системы можно считать K^л_τ ≈ α, это практически не сказывается на точности получаемых результатов. Коэффициент теплоотдачи определяется по известной формуле для трубопроводов и скважин
α = 2εG^0,8/S^0,8Вт/м²·K, (4)
где ε коэффициент шероховатости, равный для труб 1,5;
G расход воздуха, кг/c;
S сечение трубопровода 3, м². Размерность формулы определяется размерностью коэффициента, так как формула эмпирическая. Для того чтобы в летний период обеспечить на выходе температуру воздуха в пределах не выше 0^oC, т.е. t^л_к ≅ 0°C, средняя температура пород вокруг трубопровода 3 должна быть как минимум равна величине
(5)
C другой стороны, температура Т_e за зимний сезон может быть определена из выражения (взята средняя температура)
T_e (T_о + t_cp)/2^oC, (6)
t_cp (t^p_o+t^p_к)/2°C, (7)
где Т_о естественная температура пород в месте заложения трубопровода 3, ^oC;
t^p_o,t^p_к температура воздуха в начале и конце трубопровода 3 в зимний период года, ^oC. Значение t^p_к определяется по формуле, аналогичной (1)
t^p_к = t^p_o+(T_o-t^p_o)A_з°C; (8)
A_з= αU1/G_зC^p_p. (9)
Подставляя (8), (7) и (6) в выражение (5), после преобразований получают выражение

которое с учетом того, что t^л_к = 0°C, т.е. в летний период температура воздуха в аварийном режиме работы системы должна быть равна как минимум 0^oC, преобразуют
(10)
Выражение (9) преобразуют с учетом выражения (4)
(11)
откуда находят выражение для определения расхода воздуха в трубопроводе в зимний период
(12)
Таким образом, для обеспечения температуры в летний период ниже или равной некоторой заданной температуре t^л_к в зимний период необходимо обеспечить расход воздуха в системе не меньше величины, определяемой по формуле (12), где параметр А₃ находится по формуле (10). Выражения (12) и (2) можно преобразовать с учетом того, что ε=1,5, U= 2πR_o, S=πR²_o. Подставляя эти значения в выражение (12) и (2) с учетом того, что K^л_τ ≈ α получают выражения
(13)
(14)
Учитывая, что количество воздуха, подаваемое в систему, не должно быть меньше номинального, получают левый предел неравенства
G_н≅G₃ кг/с. (15)
С другой стороны, для обеспечения в летний период работы системы в аварийном режиме температуры не выше 0^oC на выходе из трубопровода 3 необходимо, чтобы расход воздуха в зимний период был не меньше величины, определяемой формулой (14), т.е. G₃≥(7,5 l/A_зC^з_рR⁰_o^,6)⁵кг/с. (16)
С учетом выражений (15) и (16) и подставив формулу (13) в выражение (10), получают расчетное неравенство для определения расхода воздуха, подаваемого в трубопровод 3, в зимний период
G_н≅ G_з(7,5l/A_зC^з_рR⁰_o^,6)⁵кг/с, (17)
(18)
В трубопровод 3 подают большее из значений, полученное при расчете по формуле (17). В конкретных условиях работы городской телефонной сети при прокладке кабеля в мерзлых породах номинальный расход воздуха, подаваемого в систему, 5·10^-4 кг/с, аварийный 5·10^-3 кг/с. Согласно способу температура воздуха на выходе из теплообменного трубопровода 3 должна быть при аварийном расходе не выше 0^oC, для чего в зимний период необходимо подавать в трубопровод 3 воздух в количестве, определяемом по формулам (17) и (18). Реальные данные для расчетов следующие: T_о -5^oC; t^з_o = -24°C t^л_о = 13°C;; a 10^-6м²/c; C^k_р = 1070 Дж/кг°C; C^p_p = 1055 Дж/кг°C. Параметры теплообменного трубопровода 3 следующие: l 10 м; R_о 0,2 м. По формуле (18) находим, что А₃ 0,66, а по формуле (17) G ≥ 18,9·10^-4 кг/с. Это значение выше номинального, поэтому в зимний период в трубопровод 3 необходимо подавать воздух в количестве 18,9·10^-4 кг/с, что обеспечивает в летний период температуру на входе в компрессор не выше 0^oC. Это легко проверить. По формуле (8) находим t^з_к=-11,5^oC. По формуле (7) определяем t_cp -17,75^oC. По формуле (6) находим T_e -11,375^oC. По формуле (13) определяем значение A= 0,534. Окончательно, по формуле (1) найдем t^k_к = 0°C. Теплоизоляция на каналах 2 и 4 делается для того, чтобы избежать конденсатообразование и обледенение в них в переходные периоды года. На выходе из теплообменного трубопровода температура воздуха в течение всего года всегда ниже 0^oC, что позволяет рассчитать мощность холодильной камеры, которая должна компенсировать тепло адиабатического сжатия воздуха в компрессоре. Способ позволяет исключить конденсатообразование в кабельной сети, что повышает надежность телефонной связи в районах вечной мерзлоты.

Формула изобретения

1. Способ контроля герметичности подземного кабеля путем последовательного сжатия, сорбционной очистки, подачи воздуха в подземный кабель и измерения расхода подаваемого при постоянном давлении в кабеле воздуха по увеличению расхода до аварийного судят о негерметичности подземного кабеля, отличающийся тем, что, с целью исключения повреждения подземного кабеля, проложенного в зоне вечной мерзлоты, перед сорбционной очисткой воздух охлаждают до температуры не более 0^oC. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед сжатием воздух охлаждают путем пропускания через теплообменный трубопровод, расположенный в зоне вечной мерзлоты, а охлаждение до температуры не более 0^oC перед сорбционной очисткой осуществляют в холодильной камере. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что количество воздуха, пропускаемое через теплообменный трубопровод в зимнее время, выбирают из условия охлаждения в нем воздуха в летнее время при аварийном расходе на выходе из теплообменного трубопровода до температуры не более 0^oC, а возникший избыток воздуха в зимнее время сбрасывают после сжатия.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---