مدخنة غازات
مدخنة الغازات هي إحدي أنواع المداخن المنُتشرة في العالم وهي عبارة عن إنبوبة رأسية طويلة تعمل كقناة رأسية يُمر بها غازات هي نواتج الاحتراق في المصانع والمحطات لتطردها في الهواء الجوي، ويتم إنتاج تلك الغازات نتيجة لاحتراق الفحم والبترول والغاز الطبيعي والخشب أو نتيجة لحرق أي نوع من أنواع الوقود في الأفران الصناعية الكبري أو غلايات إنتاج البخار في المحطات الكهربائية، وتحتوي تلك الغازات عادة علي ثاني أكسيد الكربون (CO2) بالإضافة إلي بخار الماء وأيضًا تحتوي علي النيتروجين والأكسجين الزائد المُضاف إلي الهواء لإتمام عملية الاحتراق، كما تحتوي الغازات علي نسب صغيرة من الملوثات والشوائب وأكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت وأول أكسيد الكربون، وعادة ما يتراوح طول تلك المداخن إلي 400 متر أو أكثر وذلك لكي تستطيع تشتيت تلك الغازات في الهواء الجوي وفي أكبر مساحة ممكنة لكي يحدث انخفاض في مستويات تركيز تلك الملوثات في الهواء الجوي لتصل إلي المستويات المسموح بها من قِبل الحكومات والقوانين المُصدرة في الدول والولايات التي تعمل بها تلك المحطات والمصانع.

تاريخيًا
بُنيت أولي المداخن الصناعية في مُنتصف القرن السابع عشر عندما كان يُعرف عن تلك المداخن أنها تُحسن كفاءة الأفران الصناعية فقط، وذلك بأنها تعمل علي زيادة سحب الهواء داخل الأفران لإتمام عمليات الاحتراق في غرف الاحتراق، كما كان لها دورًا بارزًا في تطوير الأفران العاكس والصناعات المعدنية المتعلقة بالفحم وتُعد أحد المفاتيح في الثورة الصناعية الكبُري في أوروبا. مُعظم المداخن الصناعية في القرن الثامن عشر المعروفة حاليًا بمداخن الغات بنُيت داخل حوائط الأفران مثل المداخن المنزلية، وأول مدخنة صناعية منفصلة يُعتقد أنها التي بنُيت من أجل عمليات صهر الرصاص.

والربط القوي بين المداخن الصناعية للغازات والمناظر الممُيزة للثورة الصناعية كانت نتيجة لزيادة استخدام المحركات البخاريةفي العديد من التطبيقات الصناعية المختلفة. وتُعد المدخنة هي جزء من أجزاء غلاية توليد البخار وتطويرها يرتبط بشكل مباشر بزيادة قدرة المحرك البخاري. كما أن مدخنة محرك توماس نيوكمان البخاري كانت تُدمج داخل جدران غرفة المحرك، وارتبطت أطول مدخنة صناعية منفصلة في بدايات القرن التاسع عشر بالتغيرات والتطويرات التي دخلت علي تصميم الغلايات في محركات جيمس واط ثنائية القدرة وإزدهرت بشكل أكبر في العهد الفيكتوري.

وكان اختراغ المروحة الدافعة في بدايات القرن العشرين سببًا في إزاحة أهم وظائف المدخنة الصناعية وهي سحب الهواء ودفعه داخل فرن غلاية توليد البخار أو الأفران المختلفة، وعندما حدث استبدال للمحرك البخاري كالمحرك الأساسي حيث أُستبدل أول بمحركات ديزل ثم بعد ذلك بمحركات كهربائية فإن ذلك سبب في اندثار واختفاء تدريجي للمداخن الصناعية، وتم استبدال مواد بناء المداخن بدلًا من الحجارة إلي الطوب إلي الصلب ومؤخراء يتم بناؤها بالأسمنت المُسلح، ويتم تحديد طول المدخنة حسب الحاجة لتشتيت الملوثات والغازات وفقًا للقوانين والمراسيم الحكومية التي تحدد مستويات تلك الغازات في الهواء الجوي.

سَحب مداخن الغازات

احتراق عوادم الغازات داخل مدخنة الغازات يسبب ارتفاع درجات الحرارة لتُصبح أكبر من درجة حرارة الهواء بالخارج وبالتالي تكون أقل كثافة من الهواء المحيط، وهذا ينتج عنه أن قاع العمود الرأسي للغازات يكون له ضغط منخفض بالمقارنة بقاع العمود الرأسي للهواء الخارجي، وبالتالي يتسبب الضغط المرتفع هذا في اندفاع الهواء داخل منطقة الاحتراق وأيضًا يقوم بدفع الغازات إلي أعلي وخارج المدخنة، وتلك الحركة أو سريان هواء الاحتراق وعوادم الغازات يسمي «بالسحب الطبيعي» أو «تأثير السَحب» أو «تأثير المدخنة»، وكلما كانت المدخنة أطول كلما كان تأثير السَحب أكبر.

وتعطينا المعادلة بالأسفل فرق الضغط التقريبي ΔP بين قاع وأعلي المدخنة وفرق الضغط هذا يحدث نتيجة للسَحب:

{| border="0" cellpadding="2"
|-
|align=right|حيث:
| 
|-
!align=right| ΔP
|align=right|= فرق الضغط المتاح، بالباسكال
|-
!align=right|C
|align=right|= 0.0342
|-
!align=right| a
|align=right|= الضغط الجوي، بالباسكال
|-
!align=right| h 
|align=right|= ارتفاع مدخنة الغازات، بالمتر
|-
!align=right| To
|align=right|= درجة الحرارة المطلقة للهواء الخارجي، بالكلفن
|-
!align=right| Ti 
|align=right|= درجة الحرارة المطلقة المتوسطة للغازات داخل المدخنة بالكلفن
|}

والمعادلة بالأعلي هي تقريبية حيث تفترض أن الكتلة المولية للغازات والهواء بالخارج متساويتان وإن الانخفاض في الضغط خلال المدخنة ضئيل ويُهمل، وكلا الفرضين مناسبين لكنهما ليسا دقيقين جدًا.

معدل سريان الغازات نتيجة السَحب
من خلال نظرية القيمة التقريبية فإن المعادلة التالية يُمكن استخدامها لتحديد معدل سريان الغازات نتيجة للسَحب الناتج من المدخنة، وتفترض المعادلة أن الكتلة المولية للغازات والهواء الجوي متساويتان وأن انتقال الحرارة والاحتكاك يُمكن إهمالهما:

وتكون تلك المعادلة صحيحة فقط عندما تكون مقاومة سريان السَحب ناتجةً عن فتحة واحدة ذات معامل تصريف ثابت C، وعادة إن لم يكن دائمًا فإن المقاومة تحدث بالمقام الأول نتيجة للمدخنة نفسها، وفي تلك الحالات فإن المقاومة تتناسب مع ارتفاع المدخنة H، وبالتالي يتم إلغاء ارتفاع المدخنة في المعادلة السابقة ونحصل علي معدل السريان كدالة في ارتفاع المدخنة.

يخضع تصميم المداخن للعديد من العوامل وذلك لتوفر القدر الكافي من السحب الطبيعي المطلوب، ومن تلك العوامل:

ارتفاع وقطر المدخنة.
كمية هواء الاحتراق الزيادة المطلوبة لضمان إتمام عملية الاحتراق.
درجة حرارة غازات عوادم الاحتراق التي تغادر منطقة الاحتراق.
تركيبة غازات هوادم الاحتراق حيث تُحدد كثافة خليط تلك الغازات.
مقدار الاحتكاك المقاوم لسريان الغازات خلال المدخنة، وتختلف قيمته حسب المواد المستخدمة في بناء المدخنة.
مقدار الحرارة المفقودة نتيجة تسرب الحرارة عبر جدران المدخنة أثناء سريان الغازات.
الضغط الجوي للهواء في المنطقة المحيطة بالمدخنة، ويتم تحديده حسب الارتفاع عن سطح البحر.

وحساب العديد من تلك العوامل السابقة يتطلب طريقة التكرار والخطأ للوصول لأقرب قيمة تقريبية لها.

تصميم المدخنة
تواجه تصميمات المداخن الكبيرة العديدة من التحديات الهندسية مثلا التيارات الدوامية للهواء والرياح والتي من الممكن أن تسبب تأرجح خطر للمداخن ومن الممكن أن تؤدي لانهيارها، ويتم استخدام شكل القطع الناقص بشكل شائع للتغلب علي تأرجخ المداخن واهتزازها نتيجة لقوي الرياح ومقاومة الهواء.

ولدي العديد من الدول منظمات حكومية تضع أكواد محددة لتحديد حسابات التصميم وكيفية وضعها، وهناك منظمات غير حكومية قامت بكتابة أكواد لشرح كيفية تصميم تلك المداخن وفقًا للمعايير المطلوبة (مثل:الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين).

عناصر أخرى في المداخن
كما أشرنا في السابق فإن وظيفة المدخنة هي طرد الغازات الناتجة من الاحتراق في الهواء الجوي وذكرنا احتواء تلك الغازات علي العديد من الغازات الضارة وبعضها سامة مثل أكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت وأول أكسيد الكربون، لذلك فإن العديد من المداخن تحتوي في أعلاها علي أجهزة تنقية تقوم بتقليل تركيز تلك الغازات السامة والضارة في الغازات المطرودة خارج المدخنة للحفاظ علي البيئة والمنطقة السكانية المحيطة.

كما أن هناك بعض الدول تضع حد أدنى لطول المدخنة وذلك لكي يحدث تشتيت بشكل كافي يمنع تلك الغازات الضارة أن تهبط للمنطقة السكانية المحيطة وتسبب أضرار بيئية مختلفة. كما أن الولايات المتحدة تضع حدًا أقصي لطول تلك المداخن.

أُنظر أيضًا
مدخنة
غاز مداخن
نزع كبريت غاز العادم
انبعاثات غاز المداخن الناجمة عن احتراق الوقود الحفري
ترميد النفايات
تأثير المدخنة

مراجع

مصادر خارجية
ASHRAE's Fundamentals Handbook is available here from الجمعية الأمريكية لمهندسي التبريد والتدفئة وتكييف الهواء
ASME Codes and Standards available from الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين
Diagram of 25 tallest flue gas stacks worldwide
Chimney marking (aircraft warning lights)

أفران صناعية
احتراق
ترميد النفايات
عمليات صناعية
نموذج انتشار جوي
مدخنة ا الغازات هي إحدي أنواع المداخن المنُتشرة في العالم و هي عبارة عن إنبوبة رأسية طويلة تعمل كقناة رأسية يُمر ب ها غازات هي نواتج ال احتراق في المصانع و المحطات لتطرد ها في الهواء الجوي ، و يتم إنتاج تلك ا الغازات نتيجة ل احتراق الفحم و البترول و الغاز الطبيعي والخشب أو نتيجة ل حرق أي نوع من أنواع الوقود في الأفران الصناعية الكبري أو غلايات إنتاج البخار في المحطات الكهربائية ، وتحتوي تلك ا الغازات عادة علي ثاني أكسيد الكربون ( CO2 ) ب الإضافة إلي بخار الماء وأيضًا تحتوي علي النيتروجين والأكسجين الزائد المُضاف إلي الهواء ل إتمام عملية ال احتراق ، كما تحتوي ا الغازات علي نسب صغيرة من الملوثات والشوائب وأكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت وأول أكسيد الكربون ، وعادة ما يتراوح طول تلك المداخن إليمتر أو أكثر و ذٰلك لكي تستطيع تشتيت تلك ا الغازات في الهواء الجوي و في أكبر مساحة ممكنة لكي يحدث انخفاض في مستويات تركيز تلك الملوثات في الهواء الجوي ل تصل إلي المستويات المسموح ب ها من قِبل الحكومات و القوانين المُصدرة في الدول و الولايات التي تعمل ب ها تلك المحطات و المصانع . تاريخيًا بُنيت أولي المداخن الصناعية في مُنتصف القرن السابع عشر عندما كان يُعرف عن تلك المداخن أن ها تُحسن كفاءة الأفران الصناعية فقط ، و ذٰلك ب أن ها تعمل علي زيادة سحب الهواء داخل الأفران ل إتمام عمليات ال احتراق في غرف ال احتراق ، كما كان ل ها دورًا بارزًا في تطوير الأفران العاكس و الصناعات المعدنية المتعلقة بالفحم وتُعد أحد المفاتيح في الثورة الصناعية الكبُري في أوروبا . مُعظم المداخن الصناعية في القرن الثامن عشر المعروفة حاليًا بمداخن الغات بنُيت داخل حوائط الأفران مثل المداخن المنزلية ، وأول مدخنة صناعية منفصلة يُعتقد أن ها التي بنُيت من أجل عمليات صهر الرصاص . والربط القوي بين المداخن الصناعية ل الغازات والمناظر الممُيزة ل الثورة الصناعية كانت نتيجة ل زيادة استخدام المحركات البخاريةفي العديد من التطبيقات الصناعية المختلفة . وتُعد المدخنة هي جزء من أجزاء غلاية توليد البخار و تطوير ها يرتبط ب شكل مباشر ب زيادة قدرة المحرك البخاري . كما أن مدخنة محرك توماس نيوكمان البخاري كانت تُدمج داخل جدران غرفة المحرك ، وارتبطت أطول مدخنة صناعية منفصلة في بدايات القرن التاسع عشر بالتغيرات والتطويرات التي دخلت علي تصميم الغلايات في محركات جيمس واط ثنائية القدرة وإزدهرت ب شكل أكبر في العهد الفيكتوري . و كان اختراغ المروحة الدافعة في بدايات القرن العشرين سببًا في إزاحة أهم وظائف المدخنة الصناعية و هي سحب الهواء ودفع ه داخل فرن غلاية توليد البخار أو الأفران المختلفة ، و عندما حدث استبدال للمحرك البخاري كالمحرك الأساسي حيث أُستبدل أول بمحركات ديزل ثم بعد ذلك بمحركات كهربائية ف إن ذلك سبب في اندثار واختفاء تدريجي للمداخن الصناعية ، و تم استبدال مواد بناء المداخن بدلًا من الحجارة إلي الطوب إلي الصلب ومؤخراء يتم بناء ها ب الأسمنت المُسلح ، و يتم تحديد طول المدخنة حسب الحاجة لتشتيت الملوثات وا الغازات وفقًا للقوانين والمراسيم الحكومية التي تحدد مستويات تلك ا الغازات في الهواء الجوي . سَحب مداخن ا الغازات احتراق عوادم ا الغازات داخل مدخنة ا الغازات يسبب ارتفاع درجات الحرارة لتُصبح أكبر من درجة حرارة الهواء ب الخارج و ب التالي تكون أقل كثافة من الهواء المحيط ، و هٰذا ينتج عن ه أن قاع العمود ال رأسي ل الغازات يكون ل ه ضغط منخفض ب المقارنة بقاع العمود ال رأسي للهواء الخارجي ، و ب التالي يتسبب الضغط المرتفع هذا في اندفاع الهواء داخل منطقة ال احتراق وأيضًا يقوم ب دفع ا الغازات إلي أعلي و خارج المدخنة ، و تلك الحركة أو سريان هواء ال احتراق وعوادم ا الغازات يسمي « بالسحب الطبيعي » أو « تأثير السَحب » أو « تأثير المدخنة » ، و كلما كانت المدخنة أطول كلما كان تأثير السَحب أكبر . وتعطي نا المعادلة بالأسفل فرق الضغط التقريبي ΔP بين قاع وأعلي المدخنة و فرق الضغط هذا يحدث نتيجة للسَحب : { | border = " 0 " cellpadding = " 2 " | - | align = right | حيث : | | - ! align = right | ΔP | align = right | = فرق الضغط المتاح ، بالباسكال | - ! align = right | C | align = right | = 0342 | - ! align = right | a | align = right | = الضغط الجوي ، بالباسكال | - ! align = right | h | align = right | = ارتفاع مدخنة ا الغازات ، بالمتر | - ! align = right | To | align = right | = درجة الحرارة المطلقة للهواء الخارجي ، بالكلفن | - ! align = right | Ti | align = right | = درجة الحرارة المطلقة المتوسطة ل الغازات داخل المدخنة بالكلفن | } والمعادلة بالأعلي هي تقريبية حيث تفترض أن الكتلة المولية ل الغازات والهواء ب الخارج متساويتان و إن الانخفاض في الضغط خلال المدخنة ضئيل ويُهمل ، وكلا الفرضين مناسبين لٰكن هما ليسا دقيقين جدًا . معدل سريان ا الغازات نتيجة السَحب من خلال نظرية القيمة التقريبية ف إن المعادلة التالية يُمكن استخدام ها ل تحديد معدل سريان ا الغازات نتيجة للسَحب الناتج من المدخنة ، وتفترض المعادلة أن الكتلة المولية ل الغازات والهواء الجوي متساويتان و أن انتقال الحرارة والاحتكاك يُمكن إهمال هما : و تكون تلك المعادلة صحيحة فقط عندما تكون مقاومة سريان السَحب ناتجةً عن فتحة واحدة ذات معامل تصريف ثابت C ، وعادة إن لم يكن دائمًا ف إن المقاومة تحدث بالمقام الأول نتيجة للمدخنة نفس ها ، و في تلك الحالات ف إن المقاومة تتناسب مع ارتفاع المدخنة H ، و ب التالي يتم إلغاء ارتفاع المدخنة في المعادلة السابقة ونحصل علي معدل ال سريان كدالة في ارتفاع المدخنة . يخضع تصميم المداخن ل العديد من العوامل و ذٰلك لتوفر القدر الكافي من السحب الطبيعي المطلوب ، و من تلك العوامل : ارتفاع و قطر المدخنة . كمية هواء ال احتراق الزيادة المطلوبة ل ضمان إتمام عملية ال احتراق . درجة حرارة غازات عوادم ال احتراق التي تغادر منطقة ال احتراق . تركيبة غازات هوادم ال احتراق حيث تُحدد كثافة خليط تلك ا الغازات . مقدار الاحتكاك المقاوم ل سريان ا الغازات خلال المدخنة ، و تختلف قيمة ه حسب المواد المستخدمة في بناء المدخنة . مقدار الحرارة المفقودة نتيجة تسرب الحرارة عبر جدران المدخنة أثناء سريان ا الغازات . الضغط الجوي للهواء في المنطقة المحيطة بالمدخنة ، و يتم تحديد ه حسب الارتفاع عن سطح البحر . و حساب العديد من تلك العوامل السابقة يتطلب طريقة ال تكرار و الخطإ ل الوصول ل أقرب قيمة تقريبية ل ها . تصميم المدخنة تواجه تصميمات المداخن الكبيرة العديدة من التحديات الهندسية مثلا التيارات الدوامية للهواء والرياح و التي من الممكن أن تسبب تأرجح خطر للمداخن و من الممكن أن تؤدي لانهيار ها ، و يتم استخدام شكل القطع الناقص ب شكل شائع ل التغلب علي تأرجخ المداخن واهتزاز ها نتيجة لقوي الرياح و مقاومة الهواء . ولدي العديد من الدول منظمات حكومية تضع أكواد محددة ل تحديد حسابات التصميم وكيفية وضع ها ، و هناك منظمات غير حكومية قامت ب كتابة أكواد ل شرح كيفية تصميم تلك المداخن وفقًا للمعايير المطلوبة ( مثل : الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين ) . عناصر أخرى في المداخن كما أشرنا في السابق ف إن وظيفة المدخنة هي طرد ا الغازات الناتجة من ال احتراق في الهواء الجوي وذكرنا احتواء تلك ا الغازات علي العديد من ا الغازات الضارة و بعض ها سامة مثل أكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت وأول أكسيد الكربون ، ل ذٰلك ف إن العديد من المداخن تحتوي في أعلى ها علي أجهزة تنقية تقوم بتقليل تركيز تلك ا الغازات السامة والضارة في ا الغازات المطرودة خارج المدخنة ل الحفاظ علي البيئة و المنطقة السكانية المحيطة . كما أن هناك بعض الدول تضع حد أدنى لطول المدخنة و ذٰلك لكي يحدث تشتيت ب شكل كافي يمنع تلك ا الغازات الضارة أن تهبط ل المنطقة السكانية المحيطة و تسبب أضرار بيئية مختلفة . كما أن الولايات المتحدة تضع حدًا أ قصي لطول تلك المداخن . أُنظر أيضًا مدخنة غاز مداخن نزع كبريت غاز العادم انبعاثات غاز المداخن الناجمة عن احتراق الوقود الحفري ترميد النفايات تأثير المدخنة مراجع مصادر خارجية A S HRAE's Fundamentals Handbook is available here from الجمعية الأمريكية لمهندسي التبريد والتدفئة وتكييف الهواء A SME Codes and Standards available from الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين Diagram oftallest flue gas stacks worldwide Chimney marking ( aircraft warning ligh ts ) أفران صناعية احتراق ترميد النفايات عمليات صناعية نموذج انتشار جوي