Καύση λαδιού σε μολυσμένα από πάγο νερά και σχηματισμός πλευρικής κοιλότητας:φωτιά και πάγος

Η επιτόπια καύση (ISB) είναι μια συμβατική μέθοδος καθαρισμού πετρελαιοκηλίδας. Απαιτεί λιγότερο εξοπλισμό σε σύγκριση με τη χειροκίνητη ή μηχανική ανάκτηση. Είναι επίσης πιο γρήγορο και πολύ φθηνότερο. Το ISB χρησιμοποιήθηκε εκτενώς στον Κόλπο του Μεξικού, το Deepwater Horizon Spill το 2010. Τι γίνεται όμως αν η επόμενη μεγάλη διαρροή είναι στα βόρεια μέρη της Αλάσκας, όπου υπάρχει σημαντική πιθανότητα να βρεθεί μία ή άλλη μορφή πάγου στο θαλάσσιο περιβάλλον;

Εάν συμβεί πετρελαιοκηλίδα υπό συνθήκες παγετού στην Αρκτική, η επιτόπια καύση (ISB) μπορεί να είναι η μόνη επιλογή για αποτελεσματικό καθαρισμό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η απόσταση και οι σκληρές κλιματολογικές συνθήκες της Αρκτικής είναι πιθανό να καθιστούν αδύνατη την ανάπτυξη βαρέων μηχανημάτων αμέσως μετά από διαρροή για να διευκολυνθεί είτε η μηχανική ανάκτηση είτε η χρήση διασκορπιστικών, που είναι οι δύο άλλες κύριες μέθοδοι απόκρισης για υπεράκτιες καθαρισμός πετρελαιοκηλίδας.

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές θαλάσσιες δραστηριότητες που μπορούν να οδηγήσουν σε πετρελαιοκηλίδες στην περιοχή της Αρκτικής και η πρόσφατα ενισχυμένη δραστηριότητα λόγω των πλέον μακρύτερων ανοιχτών περιόδων πάγου στην περιοχή αναμένεται να αυξήσει την πιθανότητα πετρελαιοκηλίδας. Επιπλέον, οι εταιρείες πετρελαίου έχουν ξοδέψει πάνω από 600 εκατομμύρια δολάρια τα τελευταία χρόνια στην εξερεύνηση πετρελαίου στην Αρκτική. Οι αναλυτές προβλέπουν ότι η επένδυση στην εξερεύνηση πετρελαίου στην Αρκτική θα ξεπεράσει τα 100 δισεκατομμύρια δολάρια με πολλές άλλες χώρες (συμπεριλαμβανομένων των ΗΠΑ) να επενδύουν τεράστιους πόρους.

Σε περιπτώσεις όπου ο πάγος βρίσκεται πάνω στο νερό και το λάδι βρίσκεται ανάμεσα σε πέτρες πάγου, μοναδικές και ανεξερεύνητες φυσικές διεργασίες μπαίνουν στο παιχνίδι με τη χρήση του ISB. Το λιώσιμο του πάγου λόγω της θερμότητας από τις φλόγες προκαλεί αλλαγή της γεωμετρίας του πάγου. Συγκεκριμένα, η διάμετρος της φωτιάς που καίει αυξάνεται όσο συνεχίζεται η καύση. Υπάρχει, επομένως, μια ισχυρή σύζευξη μεταξύ του ρυθμού καύσης και της αλλαγής γεωμετρίας της πισίνας και της κοιλότητας.

Για να εξερευνηθεί αυτό το μοναδικό φαινόμενο, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε κυκλικές κοιλότητες πάγου ποικίλων διαμέτρων, που κυμαίνονται από 5 έως 100 cm. Η αλλαγή στο σχήμα της κοιλότητας του πάγου και το πάχος του στρώματος λαδιού καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό οπτικών εικόνων, απώλειας μάζας και δεδομένων θερμοκρασίας κατά μήκος της κεντρικής γραμμής και της άκρης της κοιλότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν πώς ο πάγος επηρέασε τον ρυθμό καύσης, καθώς για μικρές πυρκαγιές σε πάγο (περίπου 5-10 cm σε διάμετρο) παρατηρήθηκαν μειωμένοι ρυθμοί καύσης. Αυτό συγκρίθηκε με κανονικές πυρκαγιές πισίνας παρόμοιου μεγέθους σε εύκρατο περιβάλλον. Οι παγωμένοι τοίχοι δημιουργούν μια σημαντική απαγωγή θερμότητας προκαλώντας αξιοσημείωτες πλευρικές απώλειες θερμότητας που είναι μειονέκτημα για το ενεργειακό ισοζύγιο του καιόμενου λαδιού. Ωστόσο, εάν ληφθεί υπόψη το μέγεθος της φωτιάς μεγαλύτερο από 25-50 cm, οι ρυθμοί καύσης και η ποσότητα λαδιού που αφαιρείται από την καύση θα είναι παρόμοια με τέτοιες πυρκαγιές σε εύκρατο περιβάλλον.

Μια άλλη συναρπαστική πτυχή αυτής της έρευνας ήταν το μοναδικό σχήμα που έλιωναν τα τοιχώματα των πάγων και έγινε ένα νέο μονοπάτι για περισσότερη έρευνα. Το καύσιμο που καίγεται κοντά σε ένα σώμα πάγου παρατηρήθηκε ότι διεισδύει ακτινικά στον πάγο για να σχηματίσει μια πλευρική κοιλότητα μέσα στον πάγο. Προτάθηκε μια υπόθεση ότι οι συναγωγικές κινήσεις εντός της υγρής φάσης του καυσίμου είναι οι ένοχοι για τη μεταφορά της θερμότητας της φλόγας προς τον πάγο και την τήξη του.

Για να αξιολογηθεί αυτή η υπόθεση, διεξήχθη μια παραμετρική πειραματική μελέτη για την τήξη του πάγου δίπλα σε υγρά που εκτίθενται σε διάφορες ροές θερμότητας από πάνω, προκειμένου να κατανοηθεί ο ρόλος των ιδιοτήτων του υγρού στο σχηματισμό κοιλοτήτων στον πάγο. Μια πειραματική διάταξη σχεδιάστηκε για να μετρήσει τον ρυθμό τήξης του πάγου και την ταχύτητα διείσδυσης των υγρών καυσίμων παρόμοια με το πρόβλημα σχηματισμού πλευρικής κοιλότητας που παρατηρήθηκε στα πειράματα ISB. Ο σχηματισμός πλευρικής κοιλότητας αναγνωρίζεται ως βασικός παράγοντας για τη μείωση της αποτελεσματικότητας αφαίρεσης του ISB. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε διαφανή γυάλινο δίσκο (70mm×70mm×45mm) με πάγος τοίχου πάγου 20mm (70mm×50mm×20mm) τοποθετημένο στη μία πλευρά του δίσκου. Τα υγρά στο δίσκο (νερό, n-πεντάνιο, δωδεκάνιο, n-οκτάνιο, m-ξυλόλιο και 1-βουτανόλη) που ήταν δίπλα στο τοίχωμα πάγου εκτέθηκαν σε ποικίλες ροές θερμότητας που μιμούνται την ανάδραση θερμότητας φλόγας από μια φωτιά πισίνας. Τα αποτελέσματα του ρυθμού τήξης του πάγου μεταξύ διαφορετικών υγρών βρέθηκαν να ποικίλλουν σημαντικά.

Από τα πειραματικά αποτελέσματα, μπορεί να φανεί ότι μια αύξηση στη ροή θερμότητας μείωσε τον χρόνο τήξης, αύξησε την ταχύτητα του μετώπου τήξης και μείωσε το πλάτος της κοιλότητας. Η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων και των ιδιοτήτων του υγρού έδειξε ότι υγρά με υψηλότερες μέτωπες ταχύτητες τήξης είχαν σχετικά χαμηλότερο ιξώδες και υψηλότερο συντελεστή επιφανειακής τάσης. Για παράδειγμα, τα n-Octane και m-Xylene έλιωσαν τον πάγο πολύ πιο γρήγορα σε σύγκριση με άλλα υγρά που δοκιμάστηκαν στην ίδια έκθεση σε ροή θερμότητας. Η έκθεση των υγρών στη ροή ακτινοβολίας θερμότητας οδήγησε σε διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του υγρού και του πάγου, δημιουργώντας έτσι ένα μονοπάτι μεταφοράς θερμότητας προς τον πάγο που παρείχε την απαιτούμενη ενέργεια για την τήξη.

Τα αποτελέσματα μιας κλιμάκωσης έδειξαν ότι μια ομαδοποίηση των ιδιοτήτων του υγρού, που αποτελείται από το ιξώδες, τον συντελεστή επιφανειακής τάσης, τη θερμική αγωγιμότητα και την πυκνότητα των υγρών, αναγνωρίστηκαν ως οι πιο επιδρώντες παράμετροι στον προσδιορισμό του μεγέθους της επιφανειακής ταχύτητας και κατά συνέπεια της μπροστινή ταχύτητα τήξης. Τα ευρήματα τέτοιων μελετών είναι σημαντικά για τις στρατηγικές αντιμετώπισης πετρελαιοκηλίδων.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Σχηματισμός κοιλότητας μέσω μεταφοράς σε πάγο δίπλα σε εξωτερικά θερμαινόμενα εύφλεκτα και μη εύφλεκτα υγρά, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Cold Regions Science and Technology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Hamed Farmahini Farahani από το Worcester Polytechnic Institute και το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, Yanyun Fu από το Tsinghua University, Grunde Jomaas από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας και Ali S. Rangwala Wancwala tech Institute.