مدخنة غازات الاحتراق

مدخنة غازات الاحتراق ، والمعروفة أيضًا باسم مدخنة الدخان أو مدخنة الغازات ، هي نوع من المداخن ، عبارة عن أنبوب رأسي أو قناة أو هيكل مشابه تُصرّف من خلاله غازات الاحتراق إلى الهواء الخارجي. تُنتج غازات الاحتراق عند احتراق الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي أو الخشب أو أي وقود آخر في فرن صناعي أو غلاية توليد البخار في محطة توليد الطاقة أو أي جهاز احتراق كبير آخر. كما يمكن أن تُنتج غازات الاحتراق من عمليات كيميائية أو فيزيائية لا تتضمن الاحتراق، مثل معالجة الغاز الطبيعي . ^{[ 2 ]}

يتكون غاز الاحتراق عادةً من ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ وبخار الماء، بالإضافة إلى النيتروجين والأكسجين الزائد المتبقي من هواء الاحتراق الداخل. كما يحتوي على نسبة ضئيلة من الملوثات مثل الجسيمات الدقيقة ، وأول أكسيد الكربون ، وأكاسيد النيتروجين ، وأكاسيد الكبريت . غالبًا ما تكون مداخن غاز الاحتراق عالية جدًا، تصل إلى 420 مترًا (1380 قدمًا) ، لزيادة تأثير المدخنة وتشتيت الملوثات. 

عندما يتم تصريف غازات الاحتراق من المواقد والأفران والمدافئ وأفران التدفئة والغلايات، أو مصادر صغيرة أخرى داخل المساكن والمطاعم والفنادق أو المباني العامة الأخرى والمؤسسات التجارية الصغيرة، فإن مداخن غازات الاحتراق الخاصة بها يشار إليها باسم المداخن.

بُنيت أولى المداخن الصناعية في منتصف القرن السابع عشر، عندما فُهم لأول مرة كيف يمكنها تحسين احتراق الفرن عن طريق زيادة تدفق الهواء إلى منطقة الاحتراق. ^{[ 3 ]} وبذلك، لعبت دورًا هامًا في تطوير أفران الاحتراق العاكسة وصناعة المعادن القائمة على الفحم، والتي كانت من القطاعات الرئيسية في بدايات الثورة الصناعية . بُنيت معظم المداخن الصناعية في القرن الثامن عشر (والتي تُعرف الآن باسم مداخن غازات الاحتراق ) داخل جدران الفرن، على غرار المداخن المنزلية. أما أولى المداخن الصناعية القائمة بذاتها، فكانت على الأرجح تلك التي شُيدت في نهاية قنوات التكثيف الطويلة المرتبطة بصهر الرصاص .

يعود الارتباط الوثيق بين مداخن المصانع والمناظر الطبيعية المميزة المليئة بالدخان في الثورة الصناعية إلى الاستخدام الواسع النطاق لمحرك البخار في معظم عمليات التصنيع. تُعد المدخنة جزءًا من غلاية توليد البخار، ويرتبط تطورها ارتباطًا وثيقًا بزيادة قدرة محرك البخار. دُمجت مداخن محرك البخار الذي صممه توماس نيوكومن في جدران غرفة المحرك. أما المداخن الصناعية الأطول القائمة بذاتها التي ظهرت في أوائل القرن التاسع عشر، فكانت مرتبطة بالتغييرات في تصميم الغلايات المصاحبة لمحركات جيمس وات "ثنائية القدرة"، واستمرت في الازدياد طولًا وعرضًا خلال العصر الفيكتوري. وتُعد الزخارف من السمات المميزة للعديد من مداخن المصانع التي تعود إلى ستينيات القرن التاسع عشر، مع أغطية بارزة وجدران من الطوب المزخرف.

أدى اختراع نظام السحب القسري المدعوم بالمراوح في أوائل القرن العشرين إلى إلغاء الوظيفة الأصلية للمداخن الصناعية، والمتمثلة في سحب الهواء إلى غلايات توليد البخار أو الأفران الأخرى. ومع استبدال محرك البخار كمحرك رئيسي، أولاً بمحركات الديزل ثم بالمحركات الكهربائية، بدأت المداخن الصناعية القديمة بالاختفاء من المشهد الصناعي. وتغيرت مواد البناء من الحجر والطوب إلى الفولاذ ثم إلى الخرسانة المسلحة، وأصبح ارتفاع المدخنة الصناعية محددًا بالحاجة إلى تصريف غازات الاحتراق بما يتوافق مع لوائح مكافحة تلوث الهواء الحكومية .

تكون غازات الاحتراق داخل مداخن 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 هذه الحركة أو التدفق لهواء الاحتراق وغازات الاحتراق "السحب الطبيعي" أو " التهوية الطبيعية" أو " تأثير المدخنة ". كلما زاد ارتفاع المدخنة، زاد السحب الناتج.

توفر المعادلة أدناه تقريبًا لفرق الضغط، Δ P ، (بين أسفل وأعلى مدخنة غازات الاحتراق) الناتج عن السحب: ^{[ 4 ] [ 5 ]}

${\displaystyle \Delta P=Cah{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}}$

أين:

• ΔP : فرق الضغط المتاح، بوحدة باسكال
• ج =0.0342  كم/م
• أ : الضغط الجوي، بوحدة باسكال
• h : ارتفاع مدخنة غازات الاحتراق، بالمتر
• To _: درجة حرارة الهواء الخارجي المطلقة، بالكلفن
• Ti _: متوسط ​​درجة الحرارة المطلقة لغاز المداخن داخل المدخنة، بالكلفن.

المعادلة المذكورة أعلاه تقريبية لأنها تفترض تساوي الكتلة المولية لغازات الاحتراق والهواء الخارجي، وأن انخفاض الضغط عبر مدخنة غازات الاحتراق ضئيل للغاية. كلا الافتراضين صحيحان إلى حد ما، لكنهما ليسا دقيقين تماماً.

كتقدير أولي، يمكن استخدام المعادلة التالية لتقدير معدل تدفق غازات الاحتراق الناتج عن سحب مدخنة غازات الاحتراق. تفترض المعادلة أن الكتلة المولية لغازات الاحتراق والهواء الخارجي متساوية، وأن مقاومة الاحتكاك وفقدان الحرارة مهملان. ^{[ 6 ]}

${\displaystyle Q=CA{\sqrt {2gH{\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}}$

أين:

• س : معدل تدفق غازات الاحتراق، م³/ث
• أ : مساحة المقطع العرضي للمدخنة، م² ⁽ بافتراض أن لها مقطعًا عرضيًا ثابتًا)
• ج  : معامل التصريف (عادة ما يتم اعتباره 0.65-0.70)
• g : تسارع الجاذبية عند مستوى سطح البحر = 9.807  م/ث²
• H  : ارتفاع المدخنة، متر
• Ti _:  متوسط ​​درجة الحرارة المطلقة لغازات الاحتراق في المدخنة، كلفن
• درجة الحرارة الخارجية المطلقة (T _o)  : كلفن

كذلك، لا تصح هذه المعادلة إلا عندما يكون سبب مقاومة تدفق السحب فتحة واحدة تتميز بمعامل تصريف C. في كثير من الحالات، إن لم يكن معظمها، تكون المقاومة ناتجة بشكل أساسي عن مدخنة العادم نفسها. في هذه الحالات، تتناسب المقاومة طرديًا مع ارتفاع المدخنة H. وهذا يؤدي إلى إلغاء H في المعادلة المذكورة أعلاه، مما يجعل Q ثابتًا بغض النظر عن ارتفاع المدخنة.

يتضمن تصميم المداخن والأعمدة لتوفير الكمية الصحيحة من السحب الطبيعي العديد من العوامل مثل:

• ارتفاع وقطر الرزمة.
• الكمية المطلوبة من هواء الاحتراق الزائد لضمان الاحتراق الكامل.
• درجة حرارة غازات الاحتراق الخارجة من منطقة الاحتراق.
• تركيبة غازات الاحتراق، والتي تحدد كثافة غازات الاحتراق.
• المقاومة الاحتكاكية لتدفق غازات الاحتراق عبر المدخنة أو الموقد، والتي ستختلف باختلاف المواد المستخدمة في بناء المدخنة أو الموقد.
• فقدان الحرارة من غازات المداخن أثناء تدفقها عبر المدخنة أو الموقد.
• الضغط الجوي المحلي للهواء المحيط، والذي يتم تحديده من خلال الارتفاع المحلي فوق مستوى سطح البحر.

يتطلب حساب العديد من عوامل التصميم المذكورة أعلاه أساليب تكرارية تعتمد على التجربة والخطأ.

تضع الهيئات الحكومية في معظم البلدان قوانين محددة تنظم كيفية إجراء حسابات التصميم هذه. كما تضع العديد من المنظمات غير الحكومية قوانين تنظم تصميم المداخن (ولا سيما قوانين الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين ).

يُمثل تصميم المداخن الكبيرة تحديات هندسية كبيرة. إذ يُمكن أن يتسبب انفصال الدوامات في الرياح العاتية في حدوث تذبذبات خطيرة في المدخنة، وقد يؤدي إلى انهيارها. ويُستخدم عادةً استخدام الشرائح الحلزونية لمنع حدوث هذه العملية عند تردد الرنين للمدخنة أو بالقرب منه.

لا تعتمد بعض المعدات الصناعية التي تعمل بالوقود على السحب الطبيعي. تستخدم العديد من هذه المعدات مراوح أو نافخات كبيرة لتحقيق نفس الأهداف، وهي: تدفق هواء الاحتراق إلى غرفة الاحتراق وتدفق غازات الاحتراق الساخنة خارج المدخنة.

تُجهّز العديد من محطات توليد الطاقة بأنظمة لإزالة ثاني أكسيد الكبريت (مثل إزالة الكبريت من غازات المداخن )، وأكاسيد النيتروجين (مثل الاختزال التحفيزي الانتقائي ، وإعادة تدوير غازات العادم ، وإزالة أكاسيد النيتروجين الحرارية، أو استخدام مواقد منخفضة أكاسيد النيتروجين)، والجسيمات الدقيقة (مثل المرسبات الكهروستاتيكية ). في هذه المحطات، يُمكن استخدام برج التبريد كمدخنة لغازات المداخن. ومن الأمثلة على ذلك محطة توليد الطاقة في ستاودينغر غروسكروتزنبورغ ومحطة روستوك في ألمانيا . أما محطات توليد الطاقة التي لا تُنظّف غازات المداخن، فستُعاني من تآكل شديد في هذه المداخن.

في الولايات المتحدة وعدد من الدول الأخرى، تُعدّ دراسات نمذجة انتشار الملوثات في الغلاف الجوي ^{[ 7 ]} ضرورية لتحديد ارتفاع مدخنة غازات الاحتراق اللازم للامتثال للوائح المحلية المتعلقة بتلوث الهواء . كما تحدد الولايات المتحدة الحد الأقصى لارتفاع مدخنة غازات الاحتراق بما يُعرف بارتفاع "الممارسات الهندسية الجيدة" (GEP). ^{[ 8 ] [ 9 ]} في حالة مداخن غازات الاحتراق القائمة التي تتجاوز ارتفاع GEP، يجب أن تستخدم أي دراسات نمذجة لانتشار تلوث الهواء لهذه المداخن ارتفاع GEP بدلاً من الارتفاع الفعلي للمدخنة.

• مدخنة
• غازات المداخن
• إزالة الكبريت من غازات المداخن
• انبعاثات غازات المداخن الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري
• الحرق
• تأثير التراكم
• قائمة أطول المداخن

• يتوفر دليل أساسيات جمعية مهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء الأمريكية (ASHRAE ) هنا من ASHRAE
• تتوفر رموز ومعايير ASME من ASME