很多燃燒裝置，例如火電廠鍋爐（圖1，圖2）、家庭中的壁爐（圖3），甚至是火鍋（圖4），都配有煙囪用于排放煙氣。

圖1  內(nèi)蒙古托克托火電廠的煙囪。

（https://max.book118.com/html/2016/0509/42407472.shtm）

圖2  火電廠示意圖。

（http://www.electricaleasy.com/2015/08/thermal-power-plant.html）

圖3  家用壁爐及其煙囪的構(gòu)造。

（http://heatshieldchimney.com/smoke-chamber-repair/）

圖4  滿族烏拉火鍋。有著很長很長的煙囪。（http://blog.sina.com.cn/s/blog_49bc95ac010007x8.html）

煙囪通常都做得很高。世界上最高的煙囪是哈薩克斯坦埃基巴斯圖茲GRES-2火電廠的煙囪，高達420米（圖5）。

圖5  哈薩克斯坦埃基巴斯圖茲GRES-2火電廠的煙囪高達420米，是世界上最高的煙囪。

（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GRES-2.jpg）

 

為什么煙囪要做得這么高呢？這是由煙囪的工作原理決定的（圖6）。我們知道，靜止流體中的壓強等于流體密度ρ、重力加速度g以及深度h三者的乘積：

p=p₀+ρgh            （1）

式中的p₀為參考點（即h=0處）的壓強。

在煙囪頂部出口處，煙囪內(nèi)、外的壓強是相等的。圖6中標(biāo)出的數(shù)值是一個高度300m的煙囪的近似數(shù)值，在煙囪頂部出口處，壓強約為97kPa。以這個位置為參考點（即認為這個地方h=0），則p₀=97kPa。如果從參考點向下移動，則壓強會增加，具體增加多少則按照公式（1）計算，如果移動到煙囪底部，那么公式（1）中的深度h就應(yīng)該用煙囪的高度代入計算。

圖6  煙囪的工作原理。淺灰色箭頭表示氣流方向。

（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chimney_effect.svg）

接下來就是問題的關(guān)鍵了。由于煙囪內(nèi)的氣體溫度高于煙囪外的氣體溫度，所以煙囪內(nèi)的氣體密度ρ_i小于煙囪外的氣體密度ρ_o，所以，如果把公式（1）分別應(yīng)用于煙囪內(nèi)、外的流體，所計算得到的煙囪底部的壓強是不同的。顯然，由于ρ_i<ρ_o，所以在煙囪底部，煙囪內(nèi)部的壓強要小于煙囪外部的壓強。這個壓強差使得外面的氣流被抽進煙囪里面。所以，煙囪實際上起到了一個風(fēng)機的作用，節(jié)省了鍋爐風(fēng)機的功率。這種效應(yīng)叫做“煙囪效應(yīng)”（chimney effect，也叫做stack effect）。圖6中標(biāo)出的數(shù)值101kPa是假定煙囪外的氣體密度ρ_o=1.225kg/m³算出的，而圖中標(biāo)注的100.5kPa是假定煙囪內(nèi)的氣體密度ρ_i=1.19kg/m³算出的。由于煙囪效應(yīng)帶來的壓強差是正比于煙囪的高度的，所以煙囪總是做得很高，以節(jié)省更多的風(fēng)機功率。

煙囪效應(yīng)有時候也會帶來很壞的影響，例如在火災(zāi)中。例如，2017年6月14日英國倫敦的格倫費爾塔發(fā)生火災(zāi)，造成71人死亡（圖7）。事后有專家認為，格倫費爾塔的墻面覆蓋層與絕熱層之間的間隙形成了一個“煙囪”，其煙囪效應(yīng)加速了大火的擴散。

圖7  格倫費爾塔在燃燒中。