煙突

煙突は、石積み、粘土、または金属で作られた建築換気構造で、ボイラー、ストーブ、炉、焼却炉、または暖炉によって生成された熱い有毒な排気ガスや煙を人間の居住エリアから隔離します。煙突は通常、垂直、または可能な限り垂直に近い形になっています。これは、ガスがスムーズに流れ、煙突効果または煙突効果と呼ばれる燃焼に空気を引き込むためです。煙突内の空間は、煙道と呼ばれます。煙突は、大規模な工業用精製所、化石燃料燃焼施設、または建物、蒸気機関車、船舶の一部 に隣接しています。

アメリカ合衆国では、煙突産業という用語は、初期の歴史における電力産業を含む工業社会による化石燃料の燃焼による環境への影響を指します。煙突（口語ではスタック）という用語は、機関車の煙突や船の煙突を指すときにも使用され、ファンネルという用語も使用されます。^{[1] [2]}

煙突の高さは、煙突効果によって煙道ガスを外部環境に排出する能力に影響します。さらに、汚染物質を高所に分散させることで、周囲への影響を軽減できます。汚染物質を広範囲に分散させることで、濃度を下げ、規制制限への準拠を容易にすることができます。

産業用の煙突の使用はローマ人にまで遡り、彼らは壁に埋め込まれた管でパン屋の煙を排出していた。しかし、家庭用の煙突が初めて登場したのは12世紀の北ヨーロッパの大きな住居だった。現存する最古のイギリスの煙突の例は、ヨークシャーのコニスブロー城の天守閣にあり、西暦1185年のものだが^[3]、住宅で一般的になったのは16世紀と17世紀になってからである。^[4]煙突フードは煙を煙突に集める初期の方法だった。これらは通常、現代の煙突よりもはるかに幅が広く、火の上の比較的高い位置から始まり、より多くの熱が部屋に逃げることができた。煙突を上る空気はより冷たいため、これらは耐火性の低い材料で作ることができた。煙突の発展におけるもう1つのステップは、家庭でパンを焼くことができるようにするための組み込みオーブンの使用だった。産業用の煙突は18世紀後半に一般的になった。

一般的な住居の煙突は、最初は木材と漆喰または泥で造られていました。それ以来、煙突は、小規模な建物でも大規模な建物でも、伝統的にレンガや石で造られています。初期の煙突は単純なレンガ造りでした。後の煙突は、タイルのライナーの周りにレンガを配置して造られました。下降気流を制御するために、さまざまなデザインの換気キャップ（チムニーポットと呼ばれることが多い）が煙突の上部に設置されることがあります。

18世紀と19世紀には、鉱石から鉛を抽出するために使用された方法により、大量の有毒な煙が発生しました。イングランド北部では、3キロメートル（2マイル）を超える長い水平に近い煙突が建設されました。通常、煙が害を及ぼさない遠隔地にある短い垂直の煙突で終わります。これらの長い煙突の内側には鉛と銀の堆積物が形成され、定期的に労働者が煙突に沿って派遣され、これらの貴重な堆積物を削り取りました。^[5]

レンガでは横方向の荷重に耐える能力が限られているため、家の煙突は「スタック」方式で建てられることが多く、家の各階の暖炉が 1 つの煙突を共有し、家の前面と背面にこのようなスタックが設けられることがよくあります。今日のセントラル ヒーティングシステムでは、煙突の配置はそれほど重要ではなくなり、非構造ガス通気管を使用することで、障害物の周囲や壁を貫通して煙道ガス導管を設置できるようになりました。

現代の高効率暖房器具のほとんどは煙突を必要としません。そのような器具は一般に外壁の近くに設置され、不燃性の壁シンブル^{[明確化が必要]により}、通気管を外壁に直接通すこと ができます。

傾斜屋根で煙突が屋根を貫通している場合、継ぎ目を密閉するために雨押さえが使用される。下り勾配部分はエプロンと呼ばれ、側面にはステップ雨押さえが使用され、雨押さえの下の煙突の上部を迂回させるためにクリケットが使用される。 ^[6]

産業用煙突は一般に排気煙突と呼ばれ、建物の壁に組み込まれるものではなく、通常は外部構造です。一般に、蒸気発生ボイラーまたは産業用炉に隣接して設置され、ガスはダクトでそこに運ばれます。今日では、産業用煙突の建設における構造要素として、レンガはほぼ完全に鉄筋コンクリートに置き換えられています。耐火レンガは、燃焼する燃料の種類によって酸を含む排気ガスが発生する場合に特にライニングとしてよく使用されます。現代の産業用煙突は、コンクリートの風防と、その内側に多数の煙道が ある構造になっている場合があります。

南アフリカのセクンダにあるセクンダ CTLの合成燃料工場にある高さ 300 メートル (980 フィート) の蒸気工場の煙突は、直径 26 メートル (85 フィート) の風防と、10 メートル間隔で配置されたコーベルのリング上に耐火レンガで裏打ちされた直径 4.6 メートルのコンクリート煙道 4 本で構成されています。鉄筋コンクリートは、従来の型枠またはスライド型枠で鋳造できます。高さは、汚染物質がより広い範囲に拡散し、法律やその他の安全要件を満たすようにするためです。

煙突ライナーは煙突の二次バリアで、燃焼による酸性物質から石材を保護し、煙道ガスが家屋に入るのを防ぎ、大きすぎる煙道のサイズを縮小します。1950 年代以降、多くの地域の建築基準法では、新しく建設される煙突には煙突ライナーの設置が義務付けられています。ライナーなしで建設された煙突には通常ライナーを追加できますが、ライナーの種類は、使用する機器の種類に合わせる必要があります。煙突ライナーは、粘土またはコンクリート タイル、金属、または現場打ちコンクリートで作られる場合があります。

粘土タイルの煙道ライナーは米国では非常に一般的ですが、Underwriters Laboratories 1777の承認を満たしていない唯一のライナーであり、タイルのひび割れや不適切な設置などの問題が頻繁に発生します。^[7]粘土タイルは通常約2フィート（0.61メートル）の長さで、さまざまなサイズと形状があり、煙突を建設するときに新築で取り付けられます。各タイルの間には耐火セメントが使用されます。

金属ライナーはステンレス鋼、アルミニウム、または亜鉛メッキ鉄で、フレキシブルパイプまたはリジッドパイプです。ステンレス鋼はいくつかのタイプと厚さで作られています。タイプ304は薪、木質ペレット燃料、および非凝縮性石油器具に使用され、タイプ316と321は石炭に使用され、タイプAL29-4Cは高効率の凝縮ガス器具に使用されます。ステンレス鋼ライナーは、固形燃料器具に使用する場合はキャップと断熱材が必要ですが、製造元の指示に注意深く従う必要があります。^[7]アルミニウムと亜鉛メッキ鋼の煙突は、クラスAとクラスBの煙突として知られています。クラスAは、断熱された二重壁ステンレス鋼管、または一般的な商標名Metalbestosでよく知られている三重壁の空気断熱管です。クラスBは断熱されていない二重壁管で、Bベントと呼ばれることが多く、非凝縮性ガス器具の排気にのみ使用されます。これらは、内側の層がアルミニウムで、外側の層が亜鉛メッキ鋼である場合があります。

コンクリート煙道ライナーは粘土ライナーに似ていますが、耐火セメントで作られており、粘土ライナーよりも耐久性があります。

現場打ちコンクリート ライナーは、型枠を使用して既存の煙突に特殊なコンクリートを流し込むことで作られます。このライナーは耐久性に優れ、あらゆる暖房器具に使用でき、弱い煙突を補強できますが、元に戻すことはできません。

煙突の上部にチムニーポットを配置することで、煙突の長さを安価に拡張し、煙突のドラフトを改善します。 複数のポットが配置されている煙突は、異なる階にある複数の暖炉が煙突を共有していることを示します。

煙突の上にはカウルが置かれ、鳥や他の動物が煙突に巣を作るのを防ぎます。煙突には雨や雪が煙突に流れ込むのを防ぐ雨よけが付いていることがよくあります。燃える破片が煙突から上がって屋根に落ちるのを最小限に抑えるため、火花防止装置として金網がよく使用されます。煙突内部の石材は大量の水分を吸収し、後で蒸発しますが、雨水は煙突の底に溜まることがあります。溜まった水を排出するために、煙突の底に排水穴が設けられることもあります。

煙突カウルまたは風向キャップは、風に合わせて回転し、煙の下降気流を防ぎ、煙突を下方に流すヘルメット型の煙突キャップです。

H 型キャップは、H の字型の煙突パイプで作られた煙突上部です。これは、卓越風や乱気流によって下降気流や逆流が発生する状況でドラフトを調節する古くからの方法です。H キャップは他のほとんどのダウンドラフト キャップよりも明らかに優れていますが、かさばるデザインのため人気がなくなりました。主に船舶で使用されていますが、省エネ機能のため再び人気を集めています。H キャップはドラフトを増やすのではなく、安定させます。他のダウンドラフト キャップはベンチュリ効果に基づいており、上昇気流を絶えず増やすことによってダウンドラフトの問題を解決しますが、その結果、燃料消費量が大幅に増加します。

煙突ダンパーは金属板で、使用していないときは煙突を閉めて外気が内部に入らないようにし、火が燃えているときは開いて熱いガスを排出することができます。トップダンパーまたはキャップダンパーは、煙突の上部に取り付けられた金属製のバネ式ドアで、長い金属チェーンが付いており、暖炉からダンパーを開閉できます。スロートダンパーは、煙突の底部、火室の真上にある金属板で、レバー、ギア、またはチェーンで開閉して暖炉と煙突を密閉できます。トップダンパーの利点は、閉じたときにしっかりとした耐候性シールになることで、冷たい外気が煙突を伝って居住空間に流れ込むのを防ぎます。これは、スロートダンパーのような金属同士のシールではほとんど実現できない機能です。さらに、スロート ダンパーは真下の火からの高熱にさらされるため、時間の経過とともに金属が変形し、スロート ダンパーの密閉性がさらに低下することがよくあります。ただし、スロート ダンパーの利点は、煙突内の空気塊から居住空間を密閉することです。煙突は、特に家の外壁にある場合、通常非常に冷たくなります。実際には、トップ ダンパーとスロート ダンパーの両方を使用して、両方の利点を得ることができます。現在市場に出回っている 2 つのトップ ダンパー デザインは、Lyemance (ピボット ドア) と Lock Top (トランスレーティング ドア) です。

西ヨーロッパの中世後期には、特に城や大邸宅などの高層建築物において、煙突上部へのメンテナンスアクセスを可能にするために、階段状の切妻屋根のデザインが生まれました。

石炭、石油、天然ガス、木材、またはその他の燃料がストーブ、オーブン、暖炉、温水ボイラー、または工業炉で燃焼すると、生成される高温の燃焼生成ガスは排気ガスと呼ばれます。これらのガスは通常、煙突または工業用排気煙突 (煙突と呼ばれることもあります) を通じて周囲の外気中に排出されます。

煙突または煙突内の燃焼排気ガスは、周囲の外気よりもはるかに高温であるため、周囲の空気よりも密度が低くなります。そのため、高温の排気ガスの垂直柱の底部の圧力は、対応する外気の柱の底部の圧力よりも低くなります。煙突の外側の高圧が、必要な燃焼空気を燃焼ゾーンに移動させ、排気ガスを煙突から上方に排出する原動力となります。燃焼空気と排気ガスのこの動きまたは流れは、「自然通風」、「自然換気」、「煙突効果」、または「煙突効果」と呼ばれます。煙突が高ければ高いほど、より多くの通風またはドラフトが作成されます。収穫逓減のケースもあります。煙突から放出される熱に対して煙突が高すぎる場合、排気ガスは煙突の上部に到達する前に冷却される可能性があります。この状態はドラフト不良の原因となり、木材燃焼器具の場合は、排出前にガスが冷却されることにより、煙突の上部付近でクレオソートが凝縮する可能性があります。クレオソートは排気ガスの排出を妨げ、火災の危険をもたらす可能性があります。

適切な量​​の自然通風を提供する煙突と排気筒の設計には、多くの設計要素が関係し、その多くは反復的な試行錯誤の方法を必要とします。

「最初の推測」の近似値として、排気ガスと外部空気の分子量（つまり、分子量）が等しく、摩擦圧力と熱損失が無視できると仮定して、次の式を使用して自然通風/通風流量を推定できます。 ここで、 $${\displaystyle Q=C\,A\,{\sqrt {2\,g\,H\,{\frac {T_{i}-T_{e}}{T_{e}}}}}}$$

• Q = 煙突ドラフト/ドラフト流量、m ³ /s
• A = 煙突の断面積、m ²（断面積は一定であると仮定）
• C = 排出係数（通常は0.65～0.70）
• g =重力加速度、9.807 m/s ²
• H = 煙突の高さ、m
• T _i = 煙突内の平均温度、K
• T _e = 外気温、K。

煙突への 2 つの流れを組み合わせると、A _t + A _f < A となります。ここで、A _t =7.1 インチ^{2 は}給湯器タンクからの最小必要流量面積であり、A _f =19.6 インチ^{2 は}セントラル ヒーティング システムの炉からの最小流量面積です。

ガス燃焼器具には煙突に入る燃焼生成物を冷却し上昇気流や下降気流を防ぐためのドラフトフードが必要です。^{[8] [9] [10]}

煙突特有の問題は、燃料として木材を使用すると、建物の壁にクレオソートの堆積物が発生することです。この物質の堆積物は空気の流れを妨げる可能性があり、さらに重要なことに、それらは可燃性であり、堆積物が煙突内で発火すると危険な煙突火災を引き起こす可能性があります。

天然ガスを燃焼するヒーターは、天然ガスが従来の固形燃料よりもはるかにクリーンかつ効率的に燃焼するため、クレオソートの蓄積量を大幅に削減します。ほとんどの場合、ガス煙突を毎年清掃する必要はありませんが、煙突の他の部分が劣化しないということではありません。経年劣化による腐食で煙突の接続部分が外れたり緩んだりすると、一酸化炭素が家の中に漏れて居住者に重大な危険をもたらす可能性があります。^[11]したがって、これらの問題を防ぐために、煙突を毎年検査し、定期的に清掃することが推奨されており、国によっては義務付けられています。この作業を行う労働者は、煙突掃除人または鳶職人と呼ばれます。この仕事はかつて主に児童労働によって行われ、そのためビクトリア朝の文学にも登場します。中世のヨーロッパの一部では、はしごを使わずに煙突にアクセスできるようにするため、階段状の切妻設計が開発されました。

石造（レンガ）の煙突は、地震の際に特に崩れやすいこともわかっています。サンフランシスコ、ロサンゼルス、サンディエゴなど地震の多い都市の政府住宅当局は現在、金属製の煙道の周りにスタッドフレームの煙突を備えた新しい家を建てることを推奨しています。古い石造煙突を補強したり縛ったりしても、地震による損傷や怪我を防ぐのにあまり効果的ではないことがわかっています。現在では、これらの近代的な煙突構造を覆う「模造レンガ」のファサードを購入することができます。

その他の潜在的な問題としては、次のものがあります。

• レンガの「剥離」とは、水分がレンガに浸透して凍結し、レンガが割れて剥がれ、モルタルのシールが緩むことです。
• 基礎がずれ、煙突の石積みの完全性が損なわれる可能性がある
• リス、アライグマ、ハチドリなどの望ましくない動物の巣作りや侵入
• 煙突の漏れ
• ドラフトの問題により、建物内に煙が侵入する可能性がある^[12]
• 暖炉や暖房器具に問題があると、望ましくない劣化や煙突の危険を引き起こす可能性があります。

展望台付きの煙突がいくつか建てられました。以下のリストは不完全かもしれませんが、それらを示しています。

いくつかの火力発電所では、少なくとも 1 つの煙突が送電塔として使用されています。次の不完全なリストにそれらを示します。

こうした構造物のほとんどが、かつてソビエト連邦の一部であった地域に存在しています。この用途には、導体ロープが排気ガスによって腐食しやすくなるという欠点がありますが、旧ソビエト連邦の影響を受けていない国でも、このような構造物が時々見られます。一例として、ゲルゼンキルヒェンのショルヴェン発電所の煙突が挙げられます。この煙突には、220 kV 送電線の 1 回路が通っています。

煙突には水タンクを載せることもできます。この組み合わせの利点は、煙突を流れる暖かい煙がタンク内の水の凍結を防ぐことです。第二次世界大戦前、特にドイツの影響を受けた国々では、このような構造は珍しくありませんでした。

煙突には、ラジオ中継サービス、携帯電話の送信、FM ラジオ、テレビ用のアンテナが設置されることがあります。また、中波送信用の長いワイヤー アンテナを煙突に固定することもできます。いずれの場合も、これらの物体は、特に排気口の近くに設置すると簡単に腐食する可能性があることを考慮する必要があります。煙突がラジオ塔に改造され、換気構造として使用できなくなることもあります。

煙突は工場の最も高い部分であることが多いため、煙突に所属する会社の名前を書いたり、煙突の構造に広告板を設置したりすることで、広告看板として利用することができます。

二酸化硫黄や窒素酸化物を除去する設備を備えた発電所の中には、冷却塔を煙突として使用できるところもあります。このような冷却塔は、ドイツのグロスクロッツェンブルク発電所やロストック発電所で見ることができます。二酸化硫黄を除去する設備を備えていない発電所では、このような冷却塔の使用は深刻な腐食問題を引き起こす可能性があり、これを防ぐのは容易ではありません。

ウィキメディア・コモンズには、煙突に関連するメディアがあります。

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• CICIND - 国際産業煙突委員会
• アメリカ煙突安全協会
• 煙突が電柱として機能しているコナコフスカヤGRES発電所
• 煙突の除去に関する記事
• 煙突メンテナンス情報
• ヨーロッパ煙突協会 ECA; 煙突に関する詳細情報
• 全国煙突技術者協会; 煙突工学業界の英国業界団体
• Skyscraperpage.com の電柱として使用されている煙突のコレクション