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 الإحتراق في المصانع والمحطات لتطردها في الهواء الجوي، ويتم إنتاج تلك الغازات نتيجة لإحتراق الفحم و البترول و الغاز الطبيعي و الخشب 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 (CO) بالإضافة إلي بخار الماء وأيضًا تحتوي علي النيتروجين والأكسجين الزائد المُضاف إلي الهواء لإتمام عملية الإحتراق، كما تحتوي الغازات علي نسب صغيرة من الملوثات والشوائب وأكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت و أول 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 إنخفاض 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.
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 الإحتراق في غرف الإحتراق، 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 الغاات 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 و المناظر 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 إندثار 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.
إحتراق 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 إندفاع الهواء داخل منطقة الاحتراق وأيضًا يقوم بدفع الغازات إلي أعلي وخارج المدخنة، وتلك الحركة أو سريان هواء الإحتراق 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 Δ"P" بين قاع وأعلي المدخنة وفرق الضغط هذا يحدث نتيجة للسَحب:
والمعادلة بالأعلي هي تقريبية حيث تفترض أن الكتلة المولية للغازات والهواء بالخارج متساويتان وإن الإنخفاض في الضغط خلال المدخنة ضئيل ويُهمل، وكلا الفرضين مناسبين لكنهما ليسا دقيقين جدًا.
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:وحساب العديد من تلك العوامل السابقة يتطلب طريقة التكرار والخطأ للوصول لأقرب قيمة تقريبية لها.
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 لإنهيارها، 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).
كما أشرنا في السابق فإن وظيفة المدخنة هي طرد الغازات الناتجة من الاحتراق في الهواء الجوي وذكرنا إحتواء تلك الغازات علي العديد من الغازات الضارة وبعضها سامة مثل أكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت و أول 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.