Результат интеллектуальной деятельности: Способ расснаряжения боеприпасов

Изобретение относится к области утилизации вооружения и военной техники, а именно к способам расснаряжения боеприпасов (БП), основное поражающее действие которых обеспечивается разрывными зарядами взрывчатого вещества (ВВ).

Известны способы расснаряжения БП, заключающиеся в выплавлении заряда ВВ из корпуса путем нагрева его горячим паром или жидкостью, растворении заряда ВВ в растворителях различного состава, удалении ВВ путем высверливания или вытачивания на механических станках, выжигания ВВ из корпуса в специальных печах или на открытом огне и выжигания с локальным инициированием горения ВВ в месте прожига корпуса струей жидкого металла, полученного при термитной реакции и др.

Все известные способы имеют существенные недостатки. Так, способы, заключающиеся в переводе твердого ВВ в жидкое состояние или растворы, не могут быть использованы для БП, снаряженных неплавящимися и плохорастворимыми ВВ. Способ механического удаления ВВ требует сложного технологического оборудования, дорог и опасен. Способ выжигания в печах является малопроизводительным, энергоемким и требующим специальной защиты вследствие реальной возможности инициирования теплового взрыва заряда ВВ при перегреве корпуса БП внешним источником тепла [1].

Известен также способ расснаряжения БП, содержащих неплавящиеся и плохорастворимые ВВ, путем выжигания зарядов ВВ из металлических корпусов, которое проводят в режиме послойного горения со стороны открытой поверхности ВВ. Инициирование послойного горения производят воздействием нагретого до высокой температуры металлического тела либо на поверхность ВВ в БП, либо промежуточного горючего вещества, например, пороха, которое предварительно помещают в БП на поверхность ВВ. Недостатком этого способа является низкая производительность при расснаряжении БП с ВВ в полузамкнутой внутренней полости сложной формы, которая часто встречается в артиллерийских снарядах, т.к. необходимо в каждый снаряд вкладывать металлическое тело и организовывать его нагрев, что требует дополнительных расходов и времени. При этом начальная свободная поверхность ВВ ограничена каналом от удаленного взрывателя, так что послойное горение в плоскости, перпендикулярной продольной оси, может не реализовываться, что приведет к неполноте выгорания несамогорящих ВВ и увеличению продолжительности выжигания в случае самогорящих ВВ. Вход во внутреннюю полость БП ограничен очком горловины, диаметр которого меньше диаметра внутренней полости снаряда с ВВ [2].

Также известен способ расснаряжения БП, заключающийся в выжигании разрывного заряда ВВ из вертикально установленной металлической оболочки БП путем инициирования послойного горения ВВ со стороны его свободной поверхности воздействием на эту поверхность нагретого до высокой температуры поджигающего тела, поджигающее тело выполняют из безгазового теплоинерционного теплового состава, размещенного в БП в контакте со всей свободной поверхностью, и воспламеняют поджигающее тело. Состав поджигающего тела выполнен на основе оксида хрома Cr₂O₃ и алюминия. Состав выбран из условия обеспечения самораспространяющегося процесса высокотемпературного синтеза. Поджигающее тело представляет собой навеску свободно текучих сферических или цилиндрических гранул [3]

Общим недостатком известных способов выжигания является широкое применение низкопроизводительных операций, отсутствие стимулирования повышенной скорости горения ВВ для увеличения производительности и невозможность извлечения энергетических ресурсов, образующихся при сжигании ВВ.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ расснаряжения боеприпасов, заключающийся в выжигании заряда взрывчатого вещества из вертикально установленной металлической оболочки боеприпаса путем инициирования послойного горения взрывчатого вещества со стороны его свободной поверхности воздействием на эту поверхность нагретым до высокой температуры поджигающим телом. В этом случае берут в качестве поджигающего тела и теплоносителя псевдоожижаемый текучий зернистый материал, для чего устанавливают полузамкнутую металлическую оболочку боеприпаса открытой горловиной вниз, направляют на горловину натекающую струю смеси текучего зернистого материала и несущего воздуха с начальной температурой выше температуры воспламенения взрывчатого вещества, пропускают часть зернистого материала струи через горловину внутрь металлической оболочки для использования в качестве поджигающего тела при воздействии на поверхность горения взрывчатого вещества, смешивают истекающие из металлической оболочки отраженный от поверхности горения зернистый материал и продукты горения взрывчатого вещества с оставшейся вне металлической оболочки частью натекающей струи для дожигания продуктов неполного сгорания и нагрева всего зернистого материала струи до конечной температуры, газовую часть продуктов полного сгорания с избытком воздуха отделяют от текучего зернистого материала и отводят последовательно в теплообменник нагрева воздуха и выходной сепаратор, перемещают нагретый до конечной температуры текучий зернистый материал в аккумулятор тепла с дальнейшим использованием в качестве теплоносителя для обеспечения работы потребителей тепловой энергии, выделяемой по разности конечной и начальной температур текучего зернистого материала, возвращают текучий зернистый материал с начальной температурой для смешения с нагретым воздухом и формирования натекающей струи. Конечную температуру продуктов сгорания и текучего зернистого материала регулируют путем изменения расхода зернистого материала, скорости натекания струи на горловину металлической оболочки боеприпаса или начальной температуры текучего зернистого материала. Текучий зернистый материал из аккумулятора тепла используют в теплообменнике для нагрева рабочего тела паротурбинного электрогенератора [4].

Недостатком принятого за прототип известного способа является компромисс между необходимостью обеспечения достаточного количества движения частиц сыпучего твердого материала для проникновения внутрь оболочки боеприпаса и воздействия на поверхность горения с одной стороны и достаточно высокого коэффициента теплоотдачи в теплообменниках и других устройствах потребителей тепла, снабженных разделительными стенками между греющей и нагреваемыми средами. Коэффициент теплоотдачи возрастает с уменьшением размера частиц. Низкий коэффициент теплоотдачи приводит к увеличению габаритов конструкции теплообменника и росту потерь тепловой энергии. Недостаточное количество движения малых частиц приводит к снижению глубины проникновения внутрь оболочки боеприпаса и даже выбросу частиц из оболочки истекающими продуктами сгорания ВВ до взаимодействия с поверхностью горения. Кроме того, пневмотранспорт всего расхода сыпучего твердого теплоносителя навстречу истекающим продуктам сгорания из горловины металлической оболочки боеприпаса повышает расход энергии из внешних источников и усиливает эрозионный износ направляющих элементов конструкции модуля выжигания.

Решаемой технической задачей является выбор сыпучего твердого материала как теплоносителя, обеспечивающего выжигание боеприпасов широкого ряда калибров и удовлетворение потребностей пользователей с различными требованиями к поставляемой тепловой энергии в виде нагретых сыпучих твердых теплоносителей. Такие требования включают, но не ограничиваются ими, теплоотдающую способность к твердой поверхности, длительность времен тепловой релаксации, способность к химическому восстановлению в окружающей среде, способность к каталитическим реакциям, способность к стабилизации химических процессов в окружающей среде, например, при экзотермических реакциях.

Решение поставленной технической задачи сводится к тому, что в способе расснаряжения боеприпасов, заключающемся в выжигании заряда взрывчатого вещества из вертикально установленной горловиной вниз металлической оболочки боеприпаса путем инициирования послойного горения взрывчатого вещества со стороны его свободной поверхности воздействием на эту поверхность нагретым до высокой температуры поджигающим телом, использования в качестве поджигающего тела и теплоносителя псевдоожижаемого сыпучего твердого материала, направления на горловину натекающей струи смеси сыпучего твердого материала и несущего воздуха с начальной температурой выше температуры воспламенения взрывчатого вещества, пропускания части сыпучего твердого материала струи через горловину внутрь металлической оболочки для использования в качестве поджигающего тела при воздействии на поверхность горения взрывчатого вещества, смешения истекающего из металлической оболочки отраженного от поверхности горения сыпучего твердого материала и продуктов горения взрывчатого вещества с оставшейся вне металлической оболочки частью натекающей струи, дожигания продуктов неполного сгорания и нагрева всего сыпучего твердого материала струи до конечной температуры, отделения газовой части продуктов полного сгорания с избытком воздуха от сыпучего твердого материала и отводят последовательно в теплообменник нагрева воздуха и выходной сепаратор, перемещения нагретого до конечной температуры сыпучего твердого материала в аккумулятор тепла с дальнейшим использованием в качестве теплоносителя для обеспечения работы потребителей тепловой энергии, выделяемой по разности конечной и начальной температур сыпучего твердого материала, возвращения сыпучего твердого материала с начальной температурой для смешения с нагретым воздухом и формирования натекающей струи, берут бифракционный псевдоожижаемый текучий зернистый материал, крупную фракцию зернистого материала пропускают через горловину внутрь металлической оболочки снаряда для использования в качестве поджигающего тела при воздействии на поверхность горения взрывчатого вещества, мелкую фракцию подают в псевдоожиженном виде для смешения с истекающими из металлической оболочки продуктами сгорания совместно с сыпучим твердым материалом крупной фракции, дожигания продуктов неполного сгорания и нагрева всего сыпучего твердого материала до конечной температуры, на выходе из аккумулятора тепла отделяют мелкую фракцию для использования в качестве сыпучего твердого теплоносителя для парогенераторов с разделительной стенкой между греющей и нагреваемой средами, крупную фракцию направляют для прямого нагрева реагентов в реакторах с последующим раздельной очисткой и возвращением фракционированных зернистых материалов с начальной температурой для смешения с нагретым воздухом и формирования натекающей струи и псевдоожиженного слоя мелкой фракции.

Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого устройства показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:

- берут бифракционный псевдоожижаемый текучий зернистый материал из крупной и мелкой фракций;

- пропускают крупную фракцию через горловину внутрь металлической оболочки;

- подают мелкую фракцию в псевдоожиженном виде для смешения с истекающими из металлической оболочки продуктами сгорания совместно с текучим зернистым материалом крупной фракции и нагрева всего текучего твердого материала до конечной температуры;

- отделяют мелкую фракцию на выходе из аккумулятора тепла для использования в теплообменниках с разделительными стенками между греющей и нагреваемой средами.

Сущность настоящего предложения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где:

фиг. 1 представляет общую схему устройства для осуществления предлагаемого способа;

фиг. 2 показывает схему модуля выжигания предпочтительного исполнения на основе аппарата с псевдоожиженным фонтанирующим слоем и обрабатываемым боеприпасом типа снаряда ЗОФ32 калибра 100 мм, и следующего описания примера предпочтительного исполнения способа.

Как показано на фиг. 1, установка утилизации боеприпасов для реализации предлагаемого способа расснаряжения боеприпасов с извлечением энергетических ресурсов включает один или несколько модулей выжигания 1 (показан один модуль) с фиксированными на верхнем торце каждого модуля боеприпасами 2, например, артиллерийскими снарядами. К модулю выжигания 1 подсоединены трубы подачи нагретого воздуха из теплообменника 3, подачи крупной фракции сыпучего твердого теплоносителя из бункера 4, подачи мелкой фракции сыпучего твердого теплоносителя из бункера хранения 5 и газоход отвода продуктов сгорания в сепаратор 6 циклонного типа. Выход сепаратора 6 соединен с теплообменником продуктов сгорания 3, а другой выход с общим для всех модулей выжигания аккумулятором тепла 7. Закрытым желобом 8 отвода сыпучего твердого теплоносителя каждый модуль выжигания 1 соединен с общим аккумулятором тепла 7. На выходе аккумулятора тепла 7 установлен разделитель 9 смеси крупной и мелкой фракций сыпучего твердого теплоносителя. Выход крупной фракции сыпучего твердого теплоносителя соединен с потребителем 10, который возвращает отработанный сыпучий твердый теплоноситель в бункер хранения 4 с помощью подъемника (не показан). Выход мелкой фракции сыпучего твердого теплоносителя соединен со своим потребителем 11, который возвращает отработанный сыпучий твердый теплоноситель в бункер хранения 5 с помощью своего подъемника (не показан).

Как видно на фиг. 2, внутрь модуля выжигания мелкая фракция сыпучего твердого теплоносителя поступает по закрытому желобу из бункера хранения 5 в кольцевой псевдоожиженный слой 12, образованный в нижней части корпуса 13 модуля выжигания 1, снабженного воздухораспределительной решеткой 14 и воздушным коллектором 15. Кольцевой псевдожиженный слой 12 ограничен сверху коническим колпаком 16 с выходным кольцевым патрубком 17 вокруг центральной трубы 18 подачи крупной фракции сыпучего твердого теплоносителя в горловину металлической оболочки боеприпаса 2. Горловина боеприпаса входит в отражатель 19, внутренняя поверхность которого и внешняя поверхность конического колпака 16 образуют зону смешения и сепарации газообразных продуктов сгорания, сообщенную с газоотводом 20. Внешняя поверхность конического колпака 16 соединена с проемом 21 стока смешанного бифракционного сыпучего твердого теплоносителя по закрытому желобу 8 в аккумулятор тепла 7. Центральная труба 18 сообщена с бункером 4 крупной фракции сыпучего твердого теплоносителя через смеситель 22 (фиг. 1), к которому подведена труба подачи нагретого воздуха из теплообменника 3.

При осуществлении заявляемого способа расснаряжения боеприпасов, например, артиллерийских снарядов, заполняют бункеры 4 и 5 нагретым до начальной температуры около 400°С сыпучим твердым теплоносителем крупной и мелкой фракциями, соответственно. Подачей нагретого воздуха из теплообменника 3 в воздушный коллектор 15 и в смеситель 22 совместно с поступающими самотеком в модуль выжигания фракциями сыпучего твердого теплоносителя из бункеров 4 и 5 образуют псевдоожиженный слой 12 из мелкой фракции и направленный в горловину снаряда 2 поток крупной фракции для выжигания взрывчатого снаряжения (не показано).

Истекающие из горловины снаряда 2 продукты сгорания взрывчатого снаряжения совместно с нагретыми частицами крупной фракции направляют навстречу свежему потоку крупной фракции из центральной трубы 18. Столкновением двух противоположно направленных потоков образуют радиальную струю, которую с помощью отражателя 19 направляют к оси модуля выжигания 1 в зону смешения. Разворотами двухфазного потока на внутренней поверхности отражателя 19 и на внешней поверхности конического колпака 16 вызывают выпадение твердой фазы на поверхности отражателя 19 и внешней поверхности конического колпака 16. Одновременно, через выходной кольцевой патрубок 17 в камеру смешения подают псевдоожиженный поток мелкой фракции с недостающим расходом твердой фазы для достижения заданной температуры нагрева при однородной температуре всей смеси продуктов сгорания и бифракционного сыпучего твердого теплоносителя. При выходе из зоны смешения газовую часть смеси, включающую продукты сгорания и азот воздуха дожигания, направляют в газоход, образованный внешней поверхностью отражателя 19 и поверхностями стенок корпуса модуля выжигания 1, для выхода из модуля выжигания через газоотвод 20 в сепаратор циклонного типа 6. Бифракционный сыпучий твердый теплоноситель, осажденный на внешнюю поверхность конического колпака 16 самотеком отводят через выходной проем 21 в закрытый желоб 8, соединенный с аккумулятором тепла 7.

Установленный на выходе из аккумулятора тепла 7 разделитель 9, например, типа винтового сепаратора позволяет получить из нагретого до конечной температуры бифракционного сыпучего твердого теплоносителя отдельные потоки частиц крупной и мелкой фракций.

Винтовые сепараторы представляют особую разновидность аппаратов, работающих по принципу разделения материала в безнапорном наклонном потоке малой глубины. В отличие от всех известных аппаратов этого типа, у винтовых сепараторов неподвижный наклонный гладкий желоб выполнен в виде спирали с вертикальной осью. Текучую смесь загружают в верхнюю часть желоба и она под действием силы тяжести стекает вниз в виде тонкого разной глубины по сечению желоба потока. При движении в потоке помимо обычных гравитационных и гидродинамических сил, действующих на зерна, развиваются центробежные силы. Более тяжелые частицы концентрируются у внутреннего борта желоба, а легкие - у внешнего. Желоб винтовых сепараторов в поперечном сечении представляет собой 1/4 окружности или вытянутого эллипса (Папушин Ю.Л. Обогащение на винтовых сепараторах. Сборник трудов кафедры ДонНТУ, Донецк, 2002).

При работе в парогенераторе с жаровыми трубами потребителя 10 поток частиц мелкой фракции с температурой 800-850°С непрерывно самотеком подают на входы жаровых труб. Внутри жаровой трубы течение определяется механикой сыпучей среды, а теплоотдача к стенке жаровой трубы зависит от типа зернистого материала, размера частиц, скорости течения, диаметра трубы. Показано, что в канале диаметром 13,8 мм при скорости течения 13,7 см/с материала с размером частиц 177-250 мкм может быть получен коэффициент теплоотдачи более 800 Вт/м^2.0С (Nietert R.E., Abdel-Khalik S.I. Heat-Transfer Characteristics of Flowing and Stationary Particle-Bed-Type Fusion-Reactor Blankets. Vol. 2. (Nietert Thesis of PhD. Nuclear Engineering. 1982). University of Visconsin, 1983, 282 pp.). Объемная плотность тепловой энергии в засыпках твердых зернистых материалах составляет 1,5-3,0 ГВт/м³, что позволяет иметь жаровые трубы малого диаметра с высоким запасом передаваемого воде тепла. У газового теплоносителя коэффициент теплоотдачи от газа к поверхностям нагрева имеет величину порядка 5-10 Вт/м^2.°С при низкой объемной плотности энергии продуктов сгорания при атмосферном давлении, порядка 0,2-0,5 МВт/м³. В парогенераторах с внешним обтеканием пучков парогенерирующих трубок потоком частиц мелкой фракции сыпучего твердого теплоносителя сохраняются такие же величины параметров нагрева (Schluderberg D.C. Moving Bed Heat Storage and Recovery System // US 4361009, 1982, Babcock&Wilcox Company, nat. Cl. 60/659, int. Cl F01K 3/00)

Сыпучие твердые теплоносители крупных фракций в виде шариков диаметром до 8-12 мм и менее из стали, чугуна, кремнезема, каолина, окислов алюминия, магния, циркона и других материалов широко применяют в высокотемпературных процессах нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров органических жидкостей до температур 1000-2000°С. (Бакластов A.M. и др. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: Учеб. пособие для вузов. А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, П.Г. Удыма. Под ред. A.M. Бакластова. - М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с.)

Применение предлагаемого способа расснаряжения боеприпасов в мобильных установках утилизации позволит повысить компактность конструкции, снизить потребление электроэнергии на нагнетание воздуха и расширить круг предложений энергетических ресурсов потенциальным пользователям в районе производственной базы утилизации.

Источники информации, принятые во внимание:

1. US 3109369. Plumley Harold J. Disposal of encased explosives. 1963.

2. RU 2104471. Щетко С.В., Ященко B.T., Преображенский Н.К. и др. Способ расснаряжения боеприпасов 1998.

3. RU 2224215. Карелин В.А., Кирий Г.В., Мелешко В.Ю., Краснобаев Ю.Л. Способ расснаряжения боеприпасов. 2004.

4. RU 2485437. Мелешко В.Ю., Карелин В.А. и др. Способ расснаряжения боеприпасов. 2013.