مدخنة

المدخنة هي هيكل تهوية معماري مصنوع من الطوب أو الطين أو المعدن ، يعزل غازات العادم السامة الساخنة أو الدخان الناتج عن الغلايات أو المواقد أو الأفران أو المحارق أو المواقد عن مناطق المعيشة. عادةً ما تكون المداخن عمودية، أو أقرب ما يكون إلى العمودي، لضمان تدفق الغازات بسلاسة، مما يسحب الهواء إلى غرفة الاحتراق فيما يُعرف بتأثير المدخنة . يُطلق على المساحة داخل المدخنة اسم قناة الاحتراق . توجد المداخن بجوار مصافي النفط الصناعية الكبيرة ، ومنشآت احتراق الوقود الأحفوري، أو كجزء من المباني، وقاطرات البخار، والسفن.

في الولايات المتحدة ، يشير مصطلح "صناعة المداخن" إلى الآثار البيئية لحرق الوقود الأحفوري في المجتمعات الصناعية، بما في ذلك صناعة الكهرباء في بداياتها. ويُستخدم مصطلح "المدخنة" (أو " العمود " بالعامية ) أيضًا للإشارة إلى مداخن القاطرات أو السفن ، كما يُمكن استخدام مصطلح "القمع" . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يؤثر ارتفاع المدخنة على قدرتها على نقل غازات الاحتراق إلى البيئة الخارجية عبر تأثير المدخنة . إضافةً إلى ذلك، يُمكن أن يُقلل تشتت الملوثات على ارتفاعات أعلى من تأثيرها على المناطق المحيطة مباشرةً. كما يُمكن أن يُقلل تشتت الملوثات على مساحة أكبر من تركيزاتها ويُسهل الامتثال للحدود التنظيمية.

يعود استخدام المداخن الصناعية إلى العصر الروماني ، حيث كانوا يسحبون الدخان من مخابزهم عبر أنابيب مُدمجة في الجدران. مع ذلك، ظهرت المداخن المنزلية لأول مرة في المساكن الكبيرة في شمال أوروبا في القرن الثاني عشر. يُعدّ برج قلعة كونيسبره في يوركشاير أقدم مثال باقٍ لمدخنة إنجليزية ، ويعود تاريخه إلى عام 1185 ميلادي، ^{[ 3 ]} لكنها لم تنتشر في المنازل إلا في القرنين السادس عشر والسابع عشر. ^{[ 4 ]} كانت أغطية الدخان وسيلة مبكرة لجمع الدخان في المدخنة. كانت هذه الأغطية عادةً أعرض بكثير من المداخن الحديثة، وتبدأ من ارتفاع نسبي فوق النار، مما يسمح بتسرب المزيد من الحرارة إلى الغرفة. ولأن الهواء الصاعد في المدخنة كان أبرد، فقد صُنعت هذه الأغطية من مواد أقل مقاومة للحريق. تمثلت خطوة أخرى في تطور المداخن في استخدام الأفران المدمجة التي سمحت للأسر بالخبز في المنزل. أصبحت المداخن الصناعية شائعة في أواخر القرن الثامن عشر.

كانت المداخن في المنازل العادية تُبنى في البداية من الخشب والجص أو الطين. ومنذ ذلك الحين، جرت العادة على بناء المداخن من الطوب أو الحجر، سواء في المباني الصغيرة أو الكبيرة. كانت المداخن الأولى بسيطة البناء من الطوب، بينما بُنيت المداخن اللاحقة بوضع الطوب حول بطانات من البلاط. وللتحكم في تيارات الهواء الهابطة، تُوضع أحيانًا أغطية تهوية (تُسمى غالبًا أواني المداخن ) بتصاميم متنوعة أعلى المداخن.

في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، أنتجت طرق استخراج الرصاص من خاماته كميات كبيرة من الأبخرة السامة. في شمال إنجلترا، بُنيت مداخن طويلة شبه أفقية، غالباً ما يزيد طولها عن 3  كيلومترات (  ميلين)، وتنتهي عادةً بمدخنة رأسية قصيرة في موقع ناءٍ حيث تكون الأبخرة أقل ضرراً. تشكّلت رواسب الرصاص والفضة داخل هذه المداخن الطويلة، وكان يُرسل العمال دورياً على طولها لكشط هذه الرواسب القيّمة. ^{[ 5 ]}

نتيجةً لمحدودية قدرة الطوب على تحمل الأحمال العرضية، كانت مداخن المنازل تُبنى غالبًا على شكل "مدخنة"، حيث يتشارك الموقد في كل طابق مدخنة واحدة، وغالبًا ما كانت هذه المدخنة موجودة في واجهة المنزل وخلفه. أما اليوم، فقد جعلت أنظمة التدفئة المركزية تحديد موقع المدخنة أقل أهمية، كما أن استخدام أنابيب تهوية الغاز غير الإنشائية يسمح بتركيب قناة غازات الاحتراق حول العوائق وعبر الجدران.

لا تتطلب معظم أجهزة التدفئة الحديثة عالية الكفاءة مدخنة. تُركّب هذه الأجهزة عادةً بالقرب من جدار خارجي، ويسمح غطاء جداري غير قابل للاحتراق بمرور أنبوب تهوية مباشرةً عبر الجدار الخارجي.

في الأسقف المائلة حيث تخترق المدخنة السقف، تُستخدم الألواح المعدنية لسد الفواصل. يُطلق على الجزء السفلي من السطح اسم "المئزر"، وتُغطى الجوانب بألواح معدنية متدرجة، ويُستخدم حاجز لتصريف المياه حول الجانب العلوي للمدخنة أسفل الألواح المعدنية. ^{[ 6 ]}

تُعرف المداخن الصناعية عادةً باسم مداخن غازات الاحتراق ، وهي في الغالب هياكل خارجية، على عكس تلك المدمجة في جدران المباني. وتقع عادةً بجوار غلاية توليد البخار أو الفرن الصناعي، وتُنقل إليها الغازات عبر قنوات. وقد حلّ استخدام الخرسانة المسلحة اليوم محل الطوب تقريبًا كعنصر إنشائي في بناء المداخن الصناعية. ويُستخدم الطوب الحراري غالبًا كبطانة، خاصةً إذا كان نوع الوقود المُحترق يُنتج غازات احتراق تحتوي على أحماض. وتتكون المداخن الصناعية الحديثة أحيانًا من غطاء خرساني مزود بعدد من قنوات الاحتراق الداخلية.

تتألف مدخنة محطة البخار في مصنع سيكندا سي تي إل للوقود الاصطناعي في سيكندا، جنوب أفريقيا، والتي يبلغ ارتفاعها 300 متر (980 قدمًا)، من حاجز أمامي قطره 26 مترًا (85 قدمًا) مزود بأربعة قنوات خرسانية قطر كل منها 4.6 متر، مبطنة بالطوب الحراري المبني على حلقات من الدعامات تفصل بينها مسافة 10 أمتار. يمكن صب الخرسانة المسلحة باستخدام القوالب التقليدية أو القوالب المنزلقة. يهدف هذا الارتفاع إلى ضمان توزيع الملوثات على مساحة أوسع لتلبية المتطلبات القانونية ومتطلبات السلامة الأخرى.    

بطانة المدخنة هي حاجز ثانوي داخل المدخنة يحمي جدرانها من نواتج الاحتراق الحمضية، ويساعد على منع دخول غازات الاحتراق إلى المنزل، ويقلل من حجم المدخنة الكبيرة. منذ خمسينيات القرن الماضي، تشترط قوانين البناء في العديد من المناطق وجود بطانة للمدخنة في المداخن الجديدة. يمكن عادةً إضافة بطانة للمداخن المبنية بدون بطانة، ولكن يجب أن يتناسب نوع البطانة مع نوع الجهاز الذي تخدمه. قد تكون بطانات المداخن من الطين أو بلاط الخرسانة، أو المعدن، أو الخرسانة المصبوبة في الموقع.

تُعدّ بطانات المداخن المصنوعة من بلاط الطين شائعة الاستخدام في الولايات المتحدة، على الرغم من أنها البطانة الوحيدة التي لا تستوفي معايير اعتماد مختبرات Underwriters Laboratories 1777، وكثيراً ما تُعاني من مشاكل مثل تشقق البلاط وسوء التركيب. ^{[ 7 ]} يبلغ طول بلاط الطين عادةً حوالي 61 سم ، ويتوفر بأحجام وأشكال متنوعة، ويتم تركيبه في المباني الجديدة أثناء بناء المدخنة. ويُستخدم إسمنت حراري بين كل بلاطة وأخرى. 

قد تكون البطانات المعدنية مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم أو الحديد المجلفن، وقد تكون مرنة أو صلبة. يُصنع الفولاذ المقاوم للصدأ بأنواع وسماكات متعددة. يُستخدم النوع 304 مع الحطب ووقود حبيبات الخشب وأجهزة الزيت غير المكثفة ، بينما يُستخدم النوعان 316 و321 مع الفحم، ويُستخدم النوع AL 29-4C مع أجهزة الغاز المكثفة عالية الكفاءة. يجب أن تحتوي بطانات الفولاذ المقاوم للصدأ على غطاء وأن تكون معزولة إذا كانت تُستخدم مع أجهزة الوقود الصلب، مع ضرورة اتباع تعليمات الشركة المصنعة بدقة. ^{[ 7 ]} تُعرف مداخن الألومنيوم والفولاذ المجلفن باسم مداخن الفئة A والفئة B. الفئة A عبارة عن أنبوب فولاذي مقاوم للصدأ معزول مزدوج الجدار أو أنبوب ثلاثي الجدار معزول بالهواء، ويُعرف غالبًا باسمه التجاري الشائع Metalbestos. أما الفئة B فهي أنابيب غير معزولة مزدوجة الجدار، وتُسمى غالبًا B-vent، وتُستخدم فقط لتهوية أجهزة الغاز غير المكثفة. قد تحتوي هذه الأنابيب على طبقة داخلية من الألومنيوم وطبقة خارجية من الفولاذ المجلفن.

بطانات المداخن الخرسانية تشبه البطانات الطينية ولكنها مصنوعة من أسمنت مقاوم للحرارة وهي أكثر متانة من البطانات الطينية.

تُصنع البطانات الخرسانية المصبوبة في الموقع عن طريق صب خرسانة خاصة في المدخنة الموجودة باستخدام قالب. تتميز هذه البطانات بمتانتها العالية، وتتوافق مع جميع أجهزة التدفئة، ويمكنها تقوية المداخن الضعيفة، ولكنها غير قابلة للإزالة.

يُوضع غطاء المدخنة أعلى المدخنة لتمديد طولها بتكلفة زهيدة، ولتحسين سحب الهواء فيها . وجود أكثر من غطاء على المدخنة يدل على أن عدة مواقد في طوابق مختلفة تشترك في نفس المدخنة.

يُوضع غطاءٌ على قمة المدخنة لمنع الطيور والحيوانات الأخرى من التعشيش فيها. وغالبًا ما يحتوي على واقٍ من المطر لمنع تسرب مياه الأمطار أو الثلوج إلى أسفل المدخنة. كما تُستخدم شبكةٌ معدنيةٌ سلكيةٌ كحاجزٍ للشرر للحد من تطاير الحطام المحترق من المدخنة ووصوله إلى السطح. ورغم أن البناء داخل المدخنة قادرٌ على امتصاص كميةٍ كبيرةٍ من الرطوبة التي تتبخر لاحقًا، إلا أن مياه الأمطار قد تتجمع عند قاعدة المدخنة. وفي بعض الأحيان، تُوضع فتحاتٌ في أسفل المدخنة لتصريف المياه المتجمعة.

غطاء المدخنة أو غطاء توجيه الرياح هو غطاء مدخنة على شكل خوذة يدور ليتوافق مع اتجاه الرياح ويمنع هبوط الدخان والرياح إلى أسفل المدخنة.

غطاء المدخنة على شكل حرف H هو غطاء علوي للمدخنة مصنوع من أنابيب على شكل حرف H. وهو أسلوب قديم لتنظيم سحب الهواء في الحالات التي تتسبب فيها الرياح السائدة أو الاضطرابات في هبوط الهواء وارتداده. على الرغم من أن غطاء H يتميز بميزة واضحة على معظم أغطية سحب الهواء الأخرى، إلا أنه فقد شعبيته بسبب تصميمه الضخم. يُستخدم هذا الغطاء في الغالب في التطبيقات البحرية، ولكنه بدأ يستعيد شعبيته بفضل قدرته على توفير الطاقة. يعمل غطاء H على تثبيت سحب الهواء بدلاً من زيادته. أما أغطية سحب الهواء الأخرى فتعتمد على تأثير فنتوري ، حيث تحل مشاكل هبوط الهواء عن طريق زيادة سحب الهواء باستمرار، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الوقود بشكل كبير.

صمام المدخنة عبارة عن صفيحة معدنية تُثبّت لإغلاق المدخنة عند عدم استخدامها، مانعةً دخول الهواء الخارجي إلى داخل المنزل، ويمكن فتحها لتصريف الغازات الساخنة عند اشتعال النار. أما صمام المدخنة العلوي ، أو صمام الغطاء، فهو عبارة عن باب معدني زنبركي يُركّب أعلى المدخنة، مزود بسلسلة معدنية طويلة تُتيح فتحه وإغلاقه من الموقد. بينما صمام المدخنة السفلي عبارة عن صفيحة معدنية في قاعدة المدخنة، أعلى صندوق الاحتراق مباشرةً، ويمكن فتحها وإغلاقها بواسطة رافعة أو ترس أو سلسلة لعزل الموقد عن المدخنة. وتكمن ميزة صمام المدخنة العلوي في إحكام إغلاقه التام ضد العوامل الجوية، مما يمنع تسرب الهواء البارد الخارجي إلى داخل المنزل، وهي ميزة يصعب تحقيقها في صمام المدخنة السفلي الذي يتميز بإحكام إغلاقه المعدني. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لتعرض صمام التحكم في فتحة المدخنة لحرارة شديدة من النار الموجودة أسفله مباشرةً، فمن الشائع أن يتشوه المعدن بمرور الوقت، مما يُضعف قدرته على منع التسرب. مع ذلك، تكمن ميزة صمام التحكم في فتحة المدخنة في عزله لمساحة المعيشة عن كتلة الهواء داخل المدخنة، والتي تكون باردة جدًا في الغالب، خاصةً للمداخن الموجودة على الجدار الخارجي للمنزل. عمليًا، يُمكن استخدام كلٍ من صمام التحكم العلوي وصمام التحكم في فتحة المدخنة للاستفادة من مزايا كليهما. يتوفر حاليًا في السوق نوعان من صمامات التحكم العلوية: Lyemance (باب محوري) وLock Top (باب متحرك).

في أواخر العصور الوسطى في أوروبا الغربية، ظهر تصميم الجملونات المتدرجة للسماح بالوصول إلى قمة المدخنة لأغراض الصيانة، وخاصة بالنسبة للهياكل الطويلة مثل القلاع والقصور الكبيرة .

عند احتراق الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي أو الخشب أو أي وقود آخر في موقد أو فرن أو مدفأة أو غلاية ماء ساخن أو فرن صناعي، تُسمى غازات الاحتراق الساخنة المتكونة بغازات المداخن. وتُصرّف هذه الغازات عادةً إلى الهواء الخارجي المحيط عبر المداخن أو مداخن غازات المداخن الصناعية (التي تُسمى أحيانًا مداخن الدخان).

تكون غازات الاحتراق داخل المداخن أو أنابيب الاحتراق أكثر سخونة بكثير من الهواء الخارجي المحيط، وبالتالي أقل كثافة منه. هذا يجعل الضغط في أسفل عمود الغازات الساخنة أقل من الضغط في أسفل عمود مماثل من الهواء الخارجي. هذا الضغط المرتفع خارج المدخنة هو القوة الدافعة التي تحرك هواء الاحتراق المطلوب إلى منطقة الاحتراق، كما أنه يدفع غازات الاحتراق إلى أعلى وخارج المدخنة. تُسمى حركة أو تدفق هواء الاحتراق وغازات الاحتراق هذه " التهوية الطبيعية" أو "تأثير المدخنة " . كلما زاد ارتفاع أنبوب الاحتراق، زادت قوة التهوية. قد تحدث حالات تناقص العائد: إذا كان أنبوب الاحتراق مرتفعًا جدًا مقارنةً بكمية الحرارة المنبعثة منه، فقد تبرد غازات الاحتراق قبل وصولها إلى أعلى المدخنة. قد تؤدي هذه الحالة إلى ضعف سحب الهواء، وفي حالة أجهزة حرق الخشب، قد يتسبب تبريد الغازات قبل انبعاثها في تكثف القطران بالقرب من أعلى المدخنة. ويمكن أن يعيق القطران خروج غازات الاحتراق، مما قد يشكل خطرًا للحريق.

يتضمن تصميم المداخن والمواقد لتوفير الكمية الصحيحة من السحب الطبيعي عددًا من عوامل التصميم، ويتطلب العديد منها أساليب تجريبية متكررة تعتمد على التجربة والخطأ.

كتقدير أولي، يمكن استخدام المعادلة التالية لتقدير معدل السحب الطبيعي/معدل تدفق السحب بافتراض أن الكتلة الجزيئية (أي الوزن الجزيئي) لغاز المداخن والهواء الخارجي متساوية وأن فقدان الضغط والحرارة الناتج عن الاحتكاك ضئيل: $${\displaystyle Q=C\,A\,{\sqrt {2\,g\,H\,{\frac {T_{i}-T_{e}}{T_{e}}}}}}$$ أين:

• Q = سحب المدخنة / معدل تدفق السحب، م³ ^/ ث
• A = مساحة المقطع العرضي للمدخنة، م ² (بافتراض أن لها مقطعًا عرضيًا ثابتًا)
• C = معامل التصريف (عادة ما يتم اعتباره من 0.65 إلى 0.70)
• g = تسارع الجاذبية الأرضية ، 9.807  م/ ^ث²
• H = ارتفاع المدخنة، م
• Ti ₌ متوسط ​​درجة الحرارة داخل المدخنة، كلفن
• Te = درجة حرارة الهواء الخارجي، كلفن _.

دمج تدفقين إلى المدخنة: A _t + A _f < A ، حيث A _t =7.1 بوصة ² هي الحد الأدنى لمساحة التدفق المطلوبة من خزان سخان المياه و A _f =19.6  بوصة ² هي الحد الأدنى لمساحة التدفق من فرن نظام التدفئة المركزية.

يجب أن تحتوي الأجهزة التي تعمل بالغاز على غطاء تهوية لتبريد نواتج الاحتراق التي تدخل المدخنة ومنع تيارات الهواء الصاعدة أو الهابطة. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

بالنسبة للطائرات التي تعمل بالقرب من المداخن، قد تتسبب عوادمها أو أعمدة الدخان في حدوث اضطرابات جوية ، وانخفاض مستوى الرؤية، ونقص الأكسجين، وتلوث المحرك، والتعرض لأكاسيد الغازات ، وتكوّن الجليد . وتكون هذه التأثيرات أكثر وضوحًا في الهواء البارد والهادئ والمستقر عندما يكون عمود الدخان ساخنًا. ويُنصح الطيارون بالتحليق عكس اتجاه الريح بعيدًا عن المدخنة لتقليل التأثير. ^{[ 11 ]}

من المشاكل الشائعة في المداخن تراكم رواسب الكريوزوت على جدرانها عند استخدام الخشب كوقود . يمكن أن تعيق هذه الرواسب تدفق الهواء، والأهم من ذلك أنها قابلة للاشتعال ، وقد تتسبب في حرائق خطيرة داخل المدخنة إذا اشتعلت فيها.

تُقلل المدافئ التي تعمل بالغاز الطبيعي بشكل كبير من تراكم القطران، وذلك لأن الغاز الطبيعي يحترق بشكل أنظف وأكثر كفاءة من أنواع الوقود الصلب التقليدية. مع أن تنظيف مدخنة الغاز ليس ضروريًا في معظم الحالات، إلا أن ذلك لا يعني أن أجزاء أخرى من المدخنة لا تتعرض للتلف. فقد تُشكل وصلات المدخنة المفصولة أو غير المُثبتة بإحكام، نتيجة التآكل مع مرور الوقت، خطرًا جسيمًا على السكان بسبب تسرب أول أكسيد الكربون إلى المنزل. ^{[ 12 ]} لذا، يُوصى - بل ويُلزم في بعض البلدان - بفحص المداخن سنويًا وتنظيفها بانتظام لتجنب هذه المشاكل. يُطلق على العمال الذين يقومون بهذه المهمة اسم " منظفي المداخن" . كان هذا العمل يُنجز في السابق بشكل رئيسي بواسطة عمالة الأطفال ، ولذلك ورد ذكره في الأدب الفيكتوري . في العصور الوسطى ، في بعض أنحاء أوروبا، طُوّر تصميم ذو سقف جملوني مُدرّج ، جزئيًا لتوفير الوصول إلى المداخن دون استخدام السلالم.

أثبتت مداخن البناء (الطوب) أنها عرضة للانهيار بشكل خاص أثناء الزلازل . وتوصي هيئات الإسكان الحكومية في المدن المعرضة للزلازل ، مثل سان فرانسيسكو ولوس أنجلوس وسان دييغو ، ببناء منازل جديدة بمداخن ذات هياكل خشبية حول قناة معدنية. ولم يثبت أن تدعيم أو ربط مداخن البناء القديمة فعالٌ في منع الأضرار أو الإصابات الناجمة عن الزلازل. وبات من الممكن الآن شراء واجهات "طوب صناعي" لتغطية هذه المداخن الحديثة.

وتشمل المشاكل المحتملة الأخرى ما يلي:

• الطوب " المتقشر "، حيث تتسرب الرطوبة إلى الطوب ثم تتجمد، مما يؤدي إلى تشقق الطوب وتقشره وتفكك موانع التسرب.
• قد تؤدي تحركات الأساسات إلى تدهور سلامة بناء المدخنة.
• التعشيش أو الإصابة بالحيوانات غير المرغوب فيها مثل السناجب أو الراكون أو طيور السنونو المدخنية
• تسربات المدخنة
• مشاكل في الصياغة، والتي قد تسمح بدخول الدخان إلى المبنى ^{[ 13 ]}
• قد تتسبب المشاكل المتعلقة بالمدفأة أو أجهزة التدفئة في حدوث تدهور غير مرغوب فيه أو مخاطر على المدخنة

في بعض محطات توليد الطاقة المجهزة بوحدات لإزالة ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين ، يُمكن استخدام برج التبريد كمدخنة. ويمكن رؤية هذه الأبراج في ألمانيا، في محطتي غروسكروتزنبورغ وروستوك لتوليد الطاقة . أما في محطات الطاقة غير المجهزة بإزالة ثاني أكسيد الكبريت، فقد يؤدي استخدام أبراج التبريد بهذه الطريقة إلى مشاكل تآكل خطيرة يصعب تجنبها.

• اللجنة الدولية المعنية بالمداخن الصناعية (CICIND)
• معهد سلامة المداخن الأمريكي
• محطة كوناكوفسكايا لتوليد الطاقة ، حيث تعمل المداخن كأبراج لنقل الكهرباء.
• مقال حول إزالة جدار المدخنة
• معلومات صيانة المداخن
• الرابطة الأوروبية للمداخن (ECA)؛ للعثور على مزيد من المعلومات حول المداخن
• الرابطة الوطنية لمهندسي المداخن؛ رابطة تجارية بريطانية لصناعة هندسة المداخن
• مجموعة من المداخن المستخدمة كأبراج كهرباء على موقع Skyscraperpage.com