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Investigation of the Volatilization for Residual
Liquid of Cylindrical Container
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瓦斯
瓦斯
瓦斯
瓦斯桶存底殘液之揮發研究
桶存底殘液之揮發研究
桶存底殘液之揮發研究
桶存底殘液之揮發研究
Investigation of the Volatilization for Residual
Liquid of Cylindrical Container
研究生: 葉志煌 Student: Chih-Huang Yeh 指導教授: 杜鳳棋 博士 Advisor: Dr. Feng-Chyi Duh
大華科技大學 機電工程研究所
碩 士 論 文 A Thesis
Department of Mechatronic Engineering Ta Hwa University of Science andTechnology
In partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of
Master of Science In
Mechatronic Engineering April 2013
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
中
中
中
摘
摘
摘
摘 要
要
要
要
台灣地區使用桶裝瓦斯的家庭約有 340 萬戶以上，數量遠高於天然氣 的家庭用戶，由於使用桶裝瓦斯會有存底殘液的問題，影響廣大消費者的 權益至深且鉅。本論文提出一種「瓦斯桶存底殘液之揮發研究」，主要設 有一帶體可圈繞於瓦斯桶身下方，帶體的兩端分別設有磁鐵，透過磁鐵吸 力可使帶體緊束固定。帶體的內側設有電熱元件，使用電線連接於電源。 當桶內之瓦斯使用到低於某程度時，壓力會降低至桶內殘留瓦斯無法再正 常供應爐火燃燒，藉由電熱元件導電加熱使瓦斯桶內增壓，促使瓦斯存底 殘液得以完全揮發使用，以免除瓦斯殘留於桶內。經研究結果發現，桶內 之平均溫度 Tm從 25.2℃增高到 43.9℃，壓力則從 6 kg/cm2 增加至 10.23 kg/cm2，增加幅度可達 70.5%。由實驗預估顯示，本論文研發的電熱片對於 瓦斯桶增壓效果極為顯著，連帶的對於解決瓦斯殘液問題具有極大助益。 關鍵詞：瓦斯桶、存底殘液、揮發裝置ABSTRACT
There are more than 3.4 million households using liquid petroleum gas (LPG) in Taiwan, much more than the households using natural gas. The residuals of LPG in the bottom of cylinder have significant impact on the interests of consumers. This paper presents a "study on volatilization of the residuals in the bottom of LPG cylinder", featured with a belt around the bottom of cylinder. The belt is secured by the magnets on both ends of it. There is a heating element, which is connected to the power supply over power wires, in the belt. When the level of LPG reaches below a set point, the pressure drops and the residual liquid in the cylinder cannot be supplied to the stove for burning. The pressure rises when the heating element is powered on, which facilitates the full volatilization of residuals, so there is no residual liquid in the cylinder. The result of study shows that the average temperature (Tm) is increased to 43.9℃
from 25.2℃, and the pressure to 10.23 kg/cm2 from 6 kg/cm2, up to 70.5%. The tests prove that the invention, the heating element, described in this paper, has remarkable impact on the pressure boosting in the LPG cylinder, and is very useful for solving the problem of gas residuals.
誌
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誌 謝
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本研究能完稿付梓，除感謝本校機電工程研究所之所有教授及老師諄 諄教導，亦感謝林正元學長的勉力與協助，對於論文及課業之完成受益匪 淺，永誌不忘。 本研究係接續行政院國家科學委員會 NSC100-2622-E-233-002-CC3 計 畫做持續性的研究，感謝國科會先前的經費補助，俾能建置實驗設備，讓 本論文得以順利進行，特此申謝。 最後，我要藉此向我的家人表達崇高謝忱之意，沒有他們的鼓舞與支 持就不會有今天的成果，感恩與感謝盡在不言中。 葉志煌 謹誌目
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頁數 摘要 III ABSTRACT IV 致謝 V 目錄 VI 圖目錄 IX 表目錄 XI 符號 XII 第一章 導論 1 第二章 背景 5 第 2.1 節 氣體燃料 6 第 2.2 節 液化石油氣 10 第 2.3 節 桶裝瓦斯的存底殘液 13 第三章 研究方法 17 第 3.1 節 實驗目的 18 第 3.2 節 實驗方法 21 第 3.3 節 實驗程序 24 第四章 結果與討論 34第 4.1 節 加熱帶之加熱效果 35 第 4.2 節 瓦斯桶內壓力推估 41 第五章 結論 50 第 5.1 節 綜合歸納 51 第 5.2 節 未來展望 54 參考文獻 57 著作 59 附錄 60 附錄 A.1 溫度計規格 61 附錄 A.2 壓力計規格 62 附錄 A.3 電熱片規格 63
圖目錄
圖目錄
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頁數 圖 2.1 瓦斯車架構配置圖 15 圖 2.2 瓦斯車裝配照片 15 圖 2.3 瓦斯桶的種類 16 圖 2.4 常見的快速瓦斯爐 16 圖 3.1 實驗組裝圖 27 圖 3.2 熱電偶線與熱傳導測溫板配置圖 27 圖 3.3 熱傳導測溫板熱傳導實驗圖(5V) 28 圖 3.4 熱傳導測溫板熱傳導實驗圖(12V) 28 圖 3.5 熱電偶線配置圖 29 圖 3.6 條狀加熱帶 29 圖 3.7 加熱帶可完全貼緊於瓦斯桶身 30 圖 3.8 利用強力磁鐵固定加熱帶 30 圖 3.9 壓力計裝設側視照 31 圖 3.10 壓力計裝設上視照 31 圖 3.11 實驗步驟圖 32 圖 3.12 丙烷與丁烷混合之蒸氣壓力 33 圖 4.1 熱傳導測溫板之相對溫度測量圖(5V) 44圖 4.2 熱傳導測溫板之相對溫度上升圖(5V) 44 圖 4.3 熱傳導測溫板之相對溫度測量圖(12V) 45 圖 4.4 熱傳導測溫板之相對溫度上升圖(12V) 45 圖 4.5 瓦斯桶實驗之相對溫度測量圖(12V×2) 46 圖 4.6 瓦斯桶實驗之相對溫度上升圖(12V×2) 46 圖 4.7 瓦斯桶實驗之相對溫度測量圖(12V×4) 47 圖 4.8 瓦斯桶實驗之相對溫度上升圖(12V×4) 47 圖 4.9 實驗進行中之瓦斯桶壓力測量情形 48 圖 4.10 瓦斯桶壓力測量值與理論值之比較 48 圖 4.11 瓦斯桶壓力測量值與預測值之比較 49 圖 5.1 創新研發的價值 56 圖 5.2 液化石油氣的市場競爭優勢 56 圖 A.1 數位式溫度測量儀器 61 圖 A.2 數位式壓力測量儀器樣式 62 圖 A.3 電熱片樣式 63 圖 A.4 電熱片尺寸 63
表目錄
表目錄
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頁數 表 2.1 液化天然氣(LNG)與液化石油氣(LPG)的比較 7 表 2.2 一氧化碳影響人體之嚴重性 9 表 4.1 採用 2 片與 4 片電熱片的結果比較 39 表 A.1 數位溫度計規格 61 表 A.2 壓力計規格(I) 62 表 A.3 壓力計規格(II) 62 表 A.4 電熱片規格 63符號
符號
符號
符號
an 係數(Coefficients) -
Ii 輸入電流(Input Electric Current) A
P 壓力(Pressure) mm Hg R 氣體常數(Gas Constant) kJ/kg-K T 溫度(Temperature) ℃或 K T 相對溫度(Relative Temperature) - t 時間(Time) sec Vj 輸入電壓(Input Voltage) V x x 軸(x-axis) - y y 軸(y-axis) - Greek Letters ρ 密度(Density) kg/m3 Subscript a 外界(Ambient) - m 平均值(Mean Value) -
第一章
第一章
第一章
對許多人而言，50 年代是一個美好的回憶，當時臺灣地區的一般家庭 尚無瓦斯爐，而打火機的使用也不普遍；家庭熱能所需的來源，仍停留在燃 燒木頭、木炭與煤球的階段。當時，生火是一件相當麻煩的事情，需要一些 技巧，且常弄得滿屋子的煙霧。今日，這種情景已經完工消失，因為現代化 家庭大多使用電或瓦斯，相當方便。瓦斯在現代家庭生活中已成為不可或缺 的燃料，而隨著居住型態的在 70 年代的劇烈轉變，以及液化石油氣技術的興 起，家用熱源技術產生大規模的轉變，氣體燃料為超過八成以上的臺灣家庭 所廣泛採用，這樣的轉變雖然為現代化的生活形態帶來某種程度的便利，但 同時也帶來了許多新的問題。 商家或家庭使用桶裝瓦斯都有同樣的經驗，就是當瓦斯快要用罄時，很 多人都會搖晃瓦斯桶，或是將瓦斯桶淋熱水，甚至於將瓦斯桶放入熱水中， 如此可以將瓦斯筒內部殘留的瓦斯加速氣化，由於可能導致鋼瓶與接頭處損 壞，或浸泡水中導致鋼瓶底部鏽蝕，一個使不用當的情況下，即可能會有非 常大的危險性存在。 由於時代的進步下，現在家家戶戶所需的熱源取得方式，不管是以天然 氣還是液化石油氣，都相當的便利，但天然氣因有偏遠地區無配置天然氣管 路下而造成不便，所以還是需以液化石油氣的方式取得熱較為方便，但液化 石油氣因為天氣冷會造成壓力不足，會導致液化石油氣有殘餘氣體，變成燃 燒不完全而產生一氧化碳。
常常會有民眾或店家在瓦斯快斷氣時，總是會以平放或搖晃危險方式來 處理殘餘氣體問題，但在瓦斯桶有連接瓦斯管線的情況下，造成目前不管是 要以平放或搖晃的情況下，都還是需要拆解瓦斯管連接部分，造成很多不便。 如果不拆除瓦斯管連接管線部份而直接搖晃，會導致瓦斯管連接管線損壞， 瓦斯管管線問題嚴重性，小而及時發現處理更換，大而導致一氧化碳中毒或 引起瓦斯氣爆。 由於一氧化碳是一種無色、無味、無臭、無刺激性的氣體，如果密閉環 境中室內空氣不流通，加上使用瓦斯時，瓦斯燃燒不完全，容易產生大量一 氧化碳，人體在沒感覺下大量吸入，經常導致昏迷，若未能及時救治，往往 會造成死亡，即使救活者，也有一成中毒者會留下後遺症。此問題需有一個 有效而且安全的處理方法，以免還是用傳統方式，危害到自己或他人性命， 得不償失。 造成存底殘液之原因有： 一、係因冬季氣溫低，若丙烷含量不夠，會造成鋼瓶內壓不足，致部分丁烷、 戊烷及其他不飽和烯烴類無法氣化，形成存底殘液，若鋼瓶定期送檢時， 可用高壓排掉存底殘液。 二、鋼瓶未定期送檢，存底殘液未予處理，導致鋼瓶內累積不易氣化之不飽 和烯烴類而形成存底殘液，不易揮發。 三、商業店家多使用快速爐，當瓦斯快速大量使用至某一程度時，桶內壓力 不足，即無法再快速氣化燃燒使用，店家或餐廳即另行換瓶使用，而造
成存底殘液留存。 本研究是一種運用 12V 低耗能的電熱片，透過電能轉換為熱能將熱藉由 傳導進入瓦斯桶，促使桶內的液化石油氣溫度提高，進而提升瓦斯桶內的壓 力。12V 電熱片上下裝有軟性磁鐵，可輕易黏貼至瓦斯桶身，將快用罄之瓦 斯桶內存底殘液加熱，使存底殘液量降至最底限。由於本論文研發之作品可 直接貼覆在瓦斯桶身，並利直流電與低耗能電熱片作為加熱源，使用上簡便 又安全；不像傳統方式搖晃或平擺瓦斯桶，具有相當大的危險性。
第二章
第二章
第二章
第
第
第
第 2.1 節
節
節 氣體燃料
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氣體燃料
氣體燃料
氣體燃料
「瓦斯」是一般民眾對氣體燃料的通稱，事實上，目前台灣地區供作家 庭使用之氣體燃料係分為液化石油氣與天然氣二大類。液化石油氣係由原油 煉製或天然氣處理過程中，所析出的丙烷與丁烷混合而成，在常溫、常壓下 為氣體，經加壓或冷卻即可液化，通常是加壓裝入鋼瓶中供用戶使用，故又 稱之為液化瓦斯或桶裝瓦斯。天然氣俗稱天然瓦斯，由瓦斯公司鋪設管線供 用戶使用，故又稱導管瓦斯或自來瓦斯（陳宏市，2011）。液化石油氣簡稱 LPG (Liquified Petroleum Gas)，也就是家裡面用鋼瓶裝 的瓦斯，是從原油提煉出來的。它與 LNG 在製程、主要成份、溫度、比重 即安全性上都略有不同，可說是丙烷、丁烷的混合物。液化石油氣本身其實 是無色無臭的，但是因為它一旦洩漏容易聚集成災，因此我們通常在液化石 油氣另外添加臭劑，使人容易察覺而提高警覺。
液化天然氣簡稱 LNG (Liquified Natural Gas)，與 LPG (Liquified Petroleum Gas)的差異如表 2.1 所列。中油目前從印尼所進口 LNG 其主要成份為甲烷 90%、乙烷 5%、丙烷約 2%，其餘少量為丁烷與氫氣（羅子敬，2001）。天 然氣燃燒後僅產生水蒸汽(H2O) 與二氧化碳(CO2)，不產生有害氣體，是目前 舉世公認最乾淨的商用材料，其特性為︰液態的天然氣比水輕，比重約 0.45 （水為 1），氣態的天然氣比空氣輕，比重約 0.68（空氣為 1），所以萬一有 洩漏的時擴散-快，較為安全。天然氣燃燒濃度(與空氣之混合比)為 4.5~15%，
表 2.1 液化天然氣(LNG)與液化石油氣(LPG)的比較 （資料來源：三源綠能科技有限公司，2008） 桶裝瓦斯由於移動性高，運送方便不受地形影響，對天然氣導管尚未舖 設的都會區、偏遠地區居民及流動攤販而言，仍為重要的炊事燃料，且因其 壓力高及符合國人炊事習慣，也廣為餐廳業者所喜愛。目前國內以液化石油 氣做為家庭燃料者約有340萬戶以上，以天然氣做為家庭燃料者約有160 萬戶 （謝銘峯，2011），顯示液化石油氣確為不可或缺的家庭能源。 液化石油氣在 1910 年，在美國礦業局工作的沃爾特·史內林(Walter O. Snelling) 博 士 在 汽 油 中 發 現 了 一 種 易 揮 發 的 物 質 （ National Propane Gas Association，2008），即丙烷(Propane，C3H8)與丁烷(Butane，C4H10)。這些輕 碳氫化合物有著很高的蒸汽壓，很容易從未精煉的汽油中揮發，由於液化石 油氣燃料具備有高熱值及低污染等特點，使得液化石油氣在世界上使用非常 項目 LNG(液化天然氣) LPG(液化石油氣) 製程 天然氣經低溫冷凍製成 原油煉製產品之一 主要成分 甲烷 丙烷( C3H8)及丁烷( C4H10)混合 溫度沸點 -160°C 丙烷( C3H8)：-42°C 丁烷( C4H10)：-4°C 安全性 較高 較低 使用便利性 一般先經加熱氣化後以管 線供應用戶，較便利 一般以桶裝供應用戶，較不便利
廣泛。丙烷可在充足氧氣下燃燒生成水和二氧化碳(Carbon dioxide, CO2)，當 氧氣不充足時，瓦斯在燃燒後會生成水和一氧化碳(Carbon monoxide, CO)， 一 氧化碳(CO＝28.01)為無色、無味、無臭之氣體。 天然氣與液化石油氣一樣，皆具無色、無味、無毒、易燃、易爆之特性， 液化石油氣與天然氣完全燃燒時，均是產生無毒之二氧化碳，不完全燃燒時 則會產生有毒之一氧化碳。一氧化碳是一種無色無味的氣體，中毒後的症狀 不易被察覺，因而成為潛藏於居家環境中的隱形殺手。一般人在吸入過多一 氧化碳後，經常只有疲倦、昏眩等輕微不適症狀，往往在中毒而不自覺的狀 況下，在昏睡中死亡。一氧化碳中毒部分媒體會誤報導為「瓦斯中毒」，事 實上，國內液化石油氣及天然氣，均依法令添加甲硫醇（Methyl Mercaptan， 硫氫甲烷；一種有機化合物，化學式 CH4S）或二乙基硫（Diethyl Sulfide， C4H10S）作為警示劑，使得原本無色、無味的氣體附有顯著臭味，一旦瓦斯 外洩，民眾易於察覺及時採行應變措施，不易造成災害（張玉龍，2011；Varon & Marik，1997）。 瓦斯燃燒所需的空氣量，約為其體積的 25 至 31 倍。在氧氣充足的環境， 會完全燃燒變成無危害的二氧化碳（CO2）。但是在氧氣不足時，燃燒便會不 完全，產生一氧化碳（CO）。一氧化碳對血液中的血紅素的結合力，為氧氣 的 200-250 倍，因此會取代氧氣搶先與血紅素結合，而形成一氧化碳血紅素 （COHb），降低血紅素帶氧能力，這時體內組織無充足含氧，因而產生各種 一氧化碳中毒的症狀，如表 2.2 所列。
表 2.2 一氧化碳影響人體之嚴重性 種類 ppm 濃度(%) 臨床症狀 1 <10 有冠狀動脈疾病者可能會出現胸痛 2 10 2-3 個小時產生輕微頭痛。 3 20 抽動式頭痛，運動後胸悶 4 30 頭暈，嘔吐，無力，判斷力降低 5 40 意識改變，昏厥 6 50 昏迷，抽搐 7 60 休克，呼吸衰竭 8 >70 1-3 分鐘內可能會死亡。 （資料來源：高醫醫訊月刊第二十四卷第八期，2005）
第
第
第
第 2.2 節
節
節 液化石油氣
節
液化石油氣
液化石油氣
液化石油氣
所謂液化石油氣 LPG 是 Liquefied Petroleum Gas 之簡稱，LPG 主要來源 有二：一為從天然氣中分離得到，另一來源為原油煉製過程中之副產品，其 他成 份 包 括 丙 烷 (Propane) 、 丙 烯 (Propylene) 、 正 丁 烷 (Isobutane) 、 異 丁 烷 (n-Butane)、丁烯(n-Butene-1)及丁二烯(n-Butene-2)等，其中最主要的成份為丙 烷及丁烷。LPG 在世界上使用非常廣泛，除了可以作為汽車燃料之外，也使 用做家庭燃料、工業燃料、船舶及航空器燃料以及石化原料等（Demirbas， 2002）。 液化石油氣燃料具備有高熱值及低污染等特點。使用液化石油氣為車輛 燃料，有助於改善空氣品質，減少廢氣污染排放。氣化丙烷(或丁烷)重量為空 氣的 1.5(或 2.0)倍，比空氣重；故外洩時，易沉降且不易擴散，而液化丙烷(或 丁烷)重量為水的 0.51(或 0.58)倍，比水及汽油輕（中國液化石油氣加氣站協 會，2010）。 在本論文中所提到 "丙烷"(Propane) 及 "丁烷"(Butane) 的成份，由於兩 者的特性並不同，最需注意的差異點在於沸點（Boiling Point，液體轉為氣體 的溫度）及蒸氣壓力（Vapor Pressure，液體氣化的壓力）；例如：丙烷的沸 點為 -42.1˚C，丁烷為 -0.5˚C（羅子敬，2001），意指環境溫度在 -0.5˚C 時， 丁烷會成為液態，而丙烷不受影響，仍是會從液體轉為氣體。至於蒸氣壓力 值，是指液化瓦斯裝填於容器中時，會有一部份轉成氣體而釋放出壓力，當
達到某個平衡點即停止，呈現液體及少量氣體混合的狀態，此時容器所承擔 的壓力值即是蒸氣壓力。在同樣的溫度下，丙烷的壓力值是倍數大於丁烷， 且這個數值會隨著環境溫度升高而增加，反之則降（Zakaria & Mustafa， 2010）。 液化石油氣之膨脹率（係數）變化極大，當溫度上升時，液化石油氣由 液體膨脹為氣體，體積膨脹 250 倍，即 1 公升 LPG(液態)≒250 公升 LPG(氣 態)，故液化石油氣經加壓、液化為 1/250 充填鋼瓶，在搬運與貯存上較為方 便（羅子敬，2001）。由液態變為氣態之溫度稱為沸點，一般而言，丙烷沸 點為-42℃（常溫下為氣態），丁烷沸點為-4℃（常溫下為氣態），而汽油之 沸點則為 25~232℃（常溫為液態）；沸點因壓力而異，壓力愈大則沸點愈高， 壓力愈低則沸點愈低。 液化石油氣在氣化過程中所吸收周圍大量之熱，稱為蒸發潛熱。一般而 言，丙烷之蒸發潛熱為 101.8kcal/kg，丁烷則為 92.09cal/kg（黃慶芳，2008）， 基於液化石油氣蒸發潛熱之特性，為防止石油氣在吸收熱量時，將瓦斯車（參 見圖 2.1 與圖 2.2）相關系統冷卻凍結而毀損，需使用水箱熱（溫）水在氣化 器內部循環加溫。液化石油氣，若不慎沾上手會因蒸發潛熱而發生凍傷，因 此液化石油氣加氣作業人員為防止凍傷，作業時必須戴手套（文匯報，2009）。 液化石油氣充填於高壓鋼瓶時，部份液體蒸發成氣體而產生壓力，當到 達一定壓力時，蒸發自然停止，此時鋼瓶內之壓力（定壓）稱之為蒸氣壓， 例如在 20℃時丙烷之蒸氣壓為 8.0kg/cm2，丁烷則為 2kg/cm2（陳錫仁、韓光
榮，1999），汽油為 0，若溫度一經上升則蒸氣壓急遽增加；液化石油氣蒸氣 壓依丙烷、丁烷之混合比及溫度不同而異，一般而言； 溫度愈高壓力愈高丙烷成份愈多，壓力愈大；液量多少與壓力無關。 著火溫度(自然溫度)：自行燃燒之起始最低溫度稱為著火溫度，丙烷之著 火溫度為 481℃，丁烷為 441℃，而汽油則為 210~300℃。所以液化石油 氣具有不易著火之特性。 發熱量：以單位重量之發熱量而言，汽油為 11,200kcal/kg，丙烷為 11,000 kcal/kg，丁烷為 11,830kcal/kg，液化石油氣之發熱量較汽油高，但因液化 石油氣之液體比重較汽油低很多，所以若換算為每單位容積之發熱量以每 公升表示，汽油為 7390kcal，丙烷為 6113kcal，丁烷為 6909kcal，液化石 油氣之每公升發熱量反較汽油低。 燃燒範圍：一般在可燃性氣體與氧氣或空氣適當混合時，點火後會燃燒。 此可燃性氣體以容量百分率(%)表示的稱為燃燒範圍，燃燒的最高濃度稱 為上限，最低濃度稱為下限，丙烷在空氣中可燃範圍為 3.37~9.5%，丁烷 為 1.8~8.41%，其混合物的 LPG 可燃料範圍 1.8~9.5%。汽油為 1.5~7.6% 所以比汽油稍微容易燃燒，但是與市售瓦斯 5~37%，氫氣 4.0~75%，乙炔 2.5~80%相比可以說是比較不容易燃燒的氣體（中國液化石油氣加氣站協 會，2010）。
第
第
第
第2.3節
節
節
節
桶裝瓦斯的存底殘液
桶裝瓦斯的存底殘液
桶裝瓦斯的存底殘液
桶裝瓦斯的存底殘液
消保會於 2009 年 11、12 月間會同經濟部及內政部消防署，進行桶裝瓦 斯驗瓶重量、灌裝重量及存底殘液進行查核。抽查並發現，每桶均留有 0.01 至 4.53kg 不等的存底殘液，多寡主要是與桶身大小（參見圖 2.3）及外界溫度 有密切的關係。除少數業者攜帶磅重將存底殘液扣抵退還消費者外，大部份 則是由瓦斯行獲利（林正元，2011）。 桶裝瓦斯(液化石油氣)，液體汽化時吸熱，使鋼瓶溫度下降，加上一般飲 食業之店家使用快速瓦斯爐（參見圖 2.4）加熱快，瓦斯用量大，降溫速度也 快，所以會產生結冰現象，使瓦斯無法汽化，導致壓力下降熄火。尤其是天 冷的時候情況更是明顯，如果溼度大，則易觀察到瓦斯桶結冰結霜，汽化速 度會變慢，瓦斯壓力不足，甚至熄火，可將瓦斯桶底盤用水盆裝熱溫水防結 冰或反覆澆水解凍瓦斯桶，但千萬不能長期浸泡，以免桶底鏽蝕。但就消費 者而言，其實能桶裝瓦斯完全用盡而不留殘液，才是最理想的解決方法。 桶裝瓦斯通常是透過加壓裝入增壓瓦斯桶中，桶內之壓力通常高達 280 mmH2O；液化石油氣經加壓灌裝入鋼瓶內是液體，但流出容器就會變成氣體， 氣化後之體積較液體體積擴增 270 倍；熱值為 10,720 kcal/kg，相當於 24,000 kcal/m3。液化石油氣氣化後之重量約為空氣的 1.5 倍，漏氣時易滯留在低處或 角落。當空氣中混入 1.8%~9.5%的液化石油氣，遇到火源便會產生燃燒或爆 炸（林正元，2011）。因此解決桶裝瓦斯的殘液問題，不僅攸關個人生命財產之安危，更與社 會公共安全息息相關。瓦斯本無害，但稍有不慎便成災；瓦斯的殘液具有相 當程度的危險性，民眾對瓦斯殘液之特性應有所認識，才能避免各種可能發 生之瓦斯殘液意外事件。 為了充分提取在桶裝瓦斯內的殘餘液體，一般民眾或店家都會將快使用 完畢的瓦斯桶平放大力搖動或加入熱水中浸泡，如此一來可以稍微讓瓦斯桶 內氣體增加，可以在使用一陣子，但這是非常具有危險性的一些舉動。 本研究中提出的揮發的移動設備是安全的，是將 12V 電熱片圍繞在瓦斯 桶身上，以 12V 電能將電熱片導熱，變成熱能後在經由藉由瓦斯桶鋼質材質 特性，將瓦斯桶內加熱，瓦斯桶內的丙烷丁烷在溫度提升的情況下，可以最 大限度地提高瓦斯桶內氣體的溫度，並能有效地蒸發殘餘液體，這是對消費 者的好消息，因為可以並盡量減少開支，也可以讓供應商將瓦斯桶取回時的 運送和儲存時，可以減少風險和危險性，氣體本身不是有害的，但是在人為 疏忽的情況下可能導致災難性的事情發生，所以本研究雖可以防止意外事故 的發生，然而關鍵的是，可以消除存在瓦斯桶內的存底殘液。
圖 2.1 瓦斯車架構配置圖（資料來源：汽車情報，2008）
圖 2.3 瓦斯桶的種類
第三章
第三章
第三章
第
第
第
第 3.1 節
節
節 實驗目的
節
實驗目的
實驗目的
實驗目的
由於桶裝瓦斯(液化石油氣)，液體汽化時吸收熱，使瓦斯桶溫度下降，瓦 斯用量大，降溫速度也快，所以會產生瓦斯結冰結霜，汽化速度會變慢，瓦 斯壓力不足導致熄火，尤其是天冷的時候情況更是明顯，如果空氣溫度溼度 大，則容易觀察到瓦斯桶身水滴凝結，壓力不足的情況下，會造成桶裝瓦斯(液 化石油氣)有殘餘氣體，變成燃燒不完全，而產生一氧化碳。 一氧化碳對血色素的親合力為氧氣的 230~270 倍，因此會與氧氣抵抗競 爭，而形成一氧化碳血色素(COHb)，而造成體內組織的缺氧。由於腦部及心 臟是我們體內需要大量氧氣供應的器官，中毒時便以這兩個重要器官功能失 調的症狀為主。中毒症狀較輕微者，可能會有頭暈、頭痛、嘔吐、全身無力 等初期症狀，但當中毒較嚴重時，則可見昏迷、抽搐、心肌梗塞，乃至於死 亡，另外有少部分病人在恢復意識後，經過一段時間，發生遲發性腦病變， 而有智能減退、大小便失禁、步態不穩、行為退化等症狀出現，因此一氧化 碳中毒事情是不可小看的。 店家與在海拔較高、偏冷山區使用者因瓦斯使用率高，但因為外在天氣因 素而瓦斯桶壓力減少，瓦斯出氣量低，瓦斯桶內殘餘液體也相對最多，而殘 餘液體多也會間接浪費許多金錢與能源，目前世界各國以普遍的開始重視節 約能源的問題，並且針對各種能源研究使用的技術，以提升能源的使用效率， 能源是人類生活的必需品，日常生活中，無時無刻都在利用能源，節約能源，有效的運用能源，許多民眾會另外燒熱水淋或浸泡瓦斯桶，但瓦斯桶使用後， 一但又過於冰冷時，還是會減少瓦斯出量，還是需要費力的一在的重複這種 動作，否則瓦斯桶壓力過於低，瓦斯桶將漸漸失去氣體壓力，導致無法有效 使用產生熱源，而失去使用瓦斯桶的便利性。 為了解決與處理瓦斯桶壓力過低與殘留氣體的問題，根據以往經驗，將 瓦斯桶加熱保溫，不讓瓦斯桶過冷降低壓力，是最好又安全的處理方法，但 以往的方法都是土法煉鋼以熱水方式不管是浸泡或是熱水反覆淋在瓦斯桶身 上的方法，現在有既快速又安全的做法以 12V 防水輕型電熱片，圍繞在瓦斯 桶身，將在瓦斯桶殘留的液態瓦斯量較少時，可經啓動加熱元件，將瓦斯桶 以加熱或是以保溫方式，將瓦斯桶身加熱，以熱傳導把熱傳至瓦斯桶內，將 瓦斯桶內瓦斯有效排出利用，此方法既安全又快速有效，也不需再額外準備 些事情，只需以電熱片上下軟性磁鐵特性，牢牢而且輕鬆就可以吸住瓦斯桶 身即可，在任何地方都可以輕易來使用，無任何限制，不佔空間與可以重複 做使用，12v 低耗電量，不會因使用電熱片以電能轉為熱能而耗電，根據台電 電力使用付費計算方法下，一個月的耗電量所花費的金額，遠遠比瓦斯桶內 殘留氣體無法有效利用而損失的費用還低上許多，既有效處理瓦斯桶殘氣， 亦又不浪費能源，省電省瓦斯又省錢。 在一個新研發構想事物中，分析這項物品其中的可行性與否，是相當重 要的一個環節，可以藉此評估與計算不管是技術方面、發展效益方面、經濟
效益評估方面的成敗，以判斷是否要花精神與時間去研發這項事物，不管這 項物品到最後花了多少時間，到最後始終在於以最小的成本獲得最大的效益。 不管在何處使用瓦斯桶，始終都會遇到，瓦斯桶中丙烷與丁烷，氣化時 所吸熱而使溫度降低的反應，而造成使用上的不方便或殘氣問題，進而構想 研發成形，使用在瓦斯桶身的電熱片，實際上就是把以往複雜麻煩的瓦斯桶 壓力增加的方式，進而簡化演進成最簡單的方法，再任何地方都可以簡單輕 易使用，以電能轉換熱能導熱方式，加上瓦斯桶鋼材質，使得熱能可以快速 的導入瓦斯桶內，將冷慢慢轉換成熱，慢慢增加壓力，即可將原本還尚存桶 內因為壓力不足而無法有效排出的氣體加以利用。
第
第
第
第 3.2 節
節
節 實驗
節
實驗
實驗方法
實驗
方法
方法
方法
本研究採用的實驗器材分別有：4 通道(4CH)之直流電源供應器(DC Power supply) 1 台、4 點(4TC)數位式溫度測量儀器【附錄第 A.1 節】1 部、數位式 壓力測量儀器【附錄第 A.2 節】1 台、10kg 瓦斯桶 1 桶、長 300mm×寬 154mm ×厚 3mm 熱傳導測溫板 1 片、12V 電熱片(Electric Heating Element) 【附錄第 A.3 節】至少 4 片；實驗組裝如圖 3.1 所示。實驗中電壓調整以常見的變壓器 做實驗，電壓分別調整為 5V 與 12V。 本論文先分別以 1 片電熱片配合 5V、12V 之輸入電壓，在熱傳導測溫板 下實驗各 30 分鐘後，測定溫度數據並觀察加熱效果。本實驗旨在瞭解電熱片 的加熱效果，主要採用 2 根 K 型熱電偶(K-type Thermocouple)線測量溫度值， 其中一根裝配在熱傳導測溫板正中央，另一根則配在板邊緣處（參見圖 3.2）； 溫度測量的取樣速率(Sampling Rate)為每秒一個，意即每根熱電偶的取樣頻率 為 1Hz。 將實驗器材熱傳導測溫板與電熱片配置好後（參見圖 3.3），環境溫度也 在設定 20℃上下條件下，開始做實驗，先將 1 片電熱片以 5V 電壓加熱 30 分 鐘。溫度的測量係為一部數位式溫度測量儀器，並配合二條熱電偶線 T1 與 T2；熱電偶線連接至電腦紀錄溫度數值，觀察 30 分鐘後溫度從熱傳導測溫板 中間的溫度值。熱偶線配置部份為：T1 連接熱傳導測溫板背面中央點位置、 T2 則連接在板邊緣，如圖 3.4 所示。接著與上一組實驗的條件相同下，只改變電源供應器電壓，將電壓增加至 12V，在與實驗一相同量測處下量測溫度； 12V 電壓與電熱片配置圖。 繼續再進行 2 片電熱片對瓦斯桶的加熱效率，在實驗一與實驗二、實驗 後數據中取得加熱最好的電壓效率結果下，將只做 12V 電壓供電實驗，將測 量熱電偶線分別以鐵棒固定至瓦斯桶身內部最底層與瓦斯桶身內部最上方， 瓦斯桶外部也配置好熱電偶線後，對 2 片電熱片各供給 12V 電壓，30 分鐘後 觀察瓦斯桶身與瓦斯桶內部電腦所紀錄溫度。熱偶線配置部份為：T1 連接處 為瓦斯桶外部接頭出氣孔處下方瓦斯桶身、T2 接處為瓦斯桶身內部最底層、 T3 連接處為瓦斯桶身內部上方處、T4 連接為外在環境溫度。 再以加熱效果最好的電壓來做後續在瓦斯桶上 2 片、4 片電熱片加熱實 驗，實驗環境以空調將環境溫度控制在 20℃左右情況下，瓦斯桶測量溫度部 分為在瓦斯桶身鑽取一直徑 2mm 的小洞，採用一根細鐵棒纏上不導熱膠帶， 將測量熱偶線分別以鐵棒固定至瓦斯桶身內部最底層與瓦斯桶身內部最上 方，上下兩者差距於 15 公分（意即 150mm）來做測量。熱偶線配置部份為： T1 連接處為瓦斯桶外部接頭出氣孔處下方瓦斯桶身、T2 連接處為瓦斯桶身內 部最底層、T3 連接處為瓦斯桶身內部上方處、T4 連接為外在環境溫度；熱電 偶線配置如圖 3.5 所示。 本論文之實驗係將多數電熱片並接組裝，並於背面貼上彈性隔熱材料 (Flexible Insulation Material)成為一條加熱帶，如圖 3.6 所示；據此，則條狀之 加熱帶可完全貼緊於瓦斯桶身，如圖 3.7 所示。加熱帶之電熱片產生的熱量能
完全經由徑向傳遞到瓦斯桶內。為了實驗的便利性，我們採用數枚強力磁鐵 將加熱帶緊密的覆蓋在瓦斯桶身，如圖 3.8 所示。 為實驗安全起見，本論文係採用 5 kg 容量之瓦斯空桶進行實驗，桶內僅 具有空氣，故壓力隨著溫度上升之變化極為微小，因此我們採用壓力計的靈 敏度相當高【附錄第 A.2 節】，為防止桶內溫度增加促使壓力升高後會有洩 漏現象，故將直接採用不鏽鋼管從瓦斯桶出口閥接到壓力計，各接合螺紋處 亦使用止洩帶防漏，如圖 3.9 與圖 3.10 所示。
第
第
第
第 3.3 節
節
節 實驗程序
節
實驗程序
實驗程序
實驗程序
在本論文實驗中，瓦斯桶壓力(P)與瓦斯桶內溫度(T2 與 T3)的因子，除了 實驗可控制的輸 入電流 (Ii)與 輸 入 電 壓 (Vj)之 外 ， 有 一 些 無 法 控 制 的 因 子 (Uncontrollable factors)，譬如：周遭的環境溫度(Ta)、環境濕度(Humidity)φ… 等變異參數，一般稱為干擾因子(Noise factors)。為避免干擾因子過度影響到 實驗數據的品質特性(Quality characteristic)，我們將會儘可能利用實驗室空 調，讓干擾因子對實驗數據的品質特性影響降到最低。為安全起見，我們將 5 kg 裝的桶裝瓦斯全部釋放完畢再進行實驗。 有關本論文實驗進行之步驟如圖 3.11 示，當實驗組裝完備之後，首先開 啟電源供應器，接著開啟溫度記錄器（數位式溫度測量儀器），然後設定電 流( Ii) 、電壓(Vj )，此時電熱片已開始發揮加熱功能，瓦斯桶身的溫度亦開始 增加。緊接著必須開啟數位式壓力測量儀器之電源，並開始測量瓦斯桶內的 壓力值(P)。通常電熱片開始運作後，瓦斯桶身的溫度會迅速的提高，電熱片 通電以後產生之熱量，一部分迅速地經由鋼壁徑向傳導進入桶內，另一部份 熱量沿著鋼壁軸向傳導到桶身上下。由於桶身的熱量必定會高於外界溫度， 因此熱量會透過熱對流效應散逸到外界環境，但電熱片也會持續的產生熱 量。只要達到充分的時間，進出瓦斯桶身的熱量將會達到平衡，因此溫度將 會維持固定值，這也就是熱力學中所謂的穩定狀態(Steady State)（或簡稱穩 態）。在本論文實驗中，我們將穩態定義如下：
(3.1)
當實驗達到穩態後，我們將可終止實驗並作數據分析，或是準備進行下
一組實驗。此外，有關瓦斯桶內的壓力測量，一般都以水柱高度 mmH2O、
mmAq 或國際單位制（SI；源自法語：Système International d'Unités）巴斯卡 (Pascal)Pa 表示之。液化瓦斯的壓力為 280±50mmH2O (2.8kPa)；天然瓦斯為 150mmH2O (1.5kPa)。通常壓力使用的公制單位中，mmH2O、kg/cm2及 Pa 之 關係如下所列：
1 kg/cm2=10,000 mmH2O=100 kPa
瓦 斯管 內 的 壓 力 分 成 兩 種 ： 靜 壓 (Static Pressure) 及 動 壓 (Dynamic Pressure)，靜壓為桶內瓦斯所具有的壓力值，動壓則為瓦斯流動所形成的壓 力值（杜鳳棋、王鴻烈，2011）。一般 LPG 的標準動壓為 0.028 kg/cm2；LNG 的標準動壓則為 0.015kg/cm2。瓦斯靜壓大於動壓，壓力對於瓦斯器具之燃燒 影響甚鉅，瓦斯壓力的大小與穩定，對燃燒有絕對影響；壓力過高或過低皆 會造成器具的不完全燃燒。 國內液化石油氣係為丙烷與丁烷混合而成，在常溫與常壓時為氣體，常 溫加壓或常壓降溫均可成液體，在 20℃時，丙烷的蒸氣壓的錶壓(Gage Pressure) 為 7.4kg/cm2，丁烷的蒸氣壓的錶壓為 1.1kg/cm2，溫度愈高時所需壓力愈大， 如圖 3.12 所示（林正元，2012）。因此，裝填瓦斯的容器就必須具備足夠的
強度；通常瓦斯桶係為鋼瓶，必須能夠承受相當大的壓力，例如裝足 20kg 標
準桶裝瓦斯的壓力介於 4~8kg/cm2之間。然而會有 4~8kg/cm2的範圍差異，主
要是溫度的影響；冬天氣溫低、壓力相對變低，夏天氣溫高、壓力相對升高， 這就是熱脹冷縮原理。
圖 3.1 實驗組裝圖
圖 3.3 熱傳導測溫板熱傳導實驗圖(5V)
圖 3.5 熱電偶線配置圖
圖 3.7 加熱帶可完全貼緊於瓦斯桶身
圖 3.9 壓力計裝設側視照
第
第
第
第
第
第
第 4.1 節
節
節 電熱片加熱效果
節
電熱片加熱效果
電熱片加熱效果
電熱片加熱效果
為測試電熱片的加熱效果，本論文先以分別以 5V、12V 配上以 1 片電熱 片，在熱傳導測溫板下實驗各 30 分鐘後，觀察整個過程的加熱效果。由於在 實驗測量溫度時，我們儘可能開啟空調，以保持外界環境的溫度與濕度，然 而在開放的實驗室內，溫度與濕度仍會有所變動。為考慮外界溫度(Ambient Temperature)Ta 的變異，故在加熱過程中的溫度上升狀況，藉由相對溫度 (Relative Temperature)表示如下： (4.1)式中相對溫度為無因次物理量(Dimensionless Physical Quantities)，表示溫度上 升相對於外界溫度的比值。 圖 4.1 為描述熱傳導測溫板之相對溫度上升狀態，其中縱座標為相對溫 度、橫座標為時間。圖 4.1 之輸入電壓為 5V，藉由此圖之實驗可瞭解電熱片 的加熱效果；圖中二組數據分別為熱電偶 T1 與 T2 的相對溫度，其中 T1 連接 熱傳導測溫板背面中央點位置、T2 則連接在板邊緣。從圖 4.1 的數據分布可 看出，當電熱片開始加熱後，位在熱傳導測溫板中央 T1 之溫度會迅速上升， 時間歷經 1200sec 之後，溫度上升才會逐漸呈現和緩的趨勢。相對地，位在板 邊緣 T2 之溫度幾乎不變，由此顯見鋼板熱傳導(Thermal Conduction)效應極為 顯著，因此由電熱片產生的熱量，快速且均勻地傳遞至熱傳導測溫板任意處，
並經由熱對流(Thermal Convection)作用而將熱量散逸至外界。 再進一步的分析本論文採用電熱片的加熱效果，依據圖 4.1 的 T1 數據分 布，我們採用多項式(Polynomials)將數據利用曲線擬合(Curve Fitting)，所獲得 的結果如圖 4.2 所示。多項式之數學描述式定義為：
∑
= − − + = + + + = n i i i n n n n o a x a x a x a x a y 0 1 1 1 ... (4.2)在多項式中，函數y只含有一個變數x，故稱為單元多項式；其中ao、a1、…、
an-1、an為係數(Coefficients)，當an≠0時，則(4.2)式為n次多項式，即deg(y)=n。
在本實驗例中，y代表相對溫度(T)，x代表時間。 曲線擬合又稱為拉曲線，是一種把現有數據透過數學方法來代入一數學 描述方程式；科學和工程問題可採用諸如：採樣、實驗等方法獲得若干的離 散數據(Dispersion Data)，透過擬合可得到一個連續的函數（亦即為曲線）， 或者更加密集的離散方程與已知數據相吻合。經由擬合的結果，圖 4.2中的曲 線係為 3 次多項式。對於圖中這條多項式擬合之曲線，更正確的描述是這條 多項式附合任何 4 個限制；限制可是一點(x,y)、角度或曲率（Curvature，即 半徑的倒數 1/R）。角度和曲率的限制通常在曲線的終端，因此稱為終端條件。 為了曲線之樣條(Spline)的交接平滑，通常會用到全等的終端條件(Termination Condition)；亦可增加如曲率變化等高階約束。從圖 4.2 中的 3 次多項式擬合 曲線可看出，加熱時間達到 t=1470 秒左右，相對溫度的上升已趨於緩和，故 擬合曲線幾乎呈現水平，其中T =0.452，此意味溫度已達到穩定狀態。
接著將輸入電壓調高為 12V，重新再進行相同的加熱實驗，所得的測量 結果如圖 4.3所示。從圖中的數據分布可看出，當電熱片開始加熱後，位在熱 傳導測溫板中央 T1之溫度會更迅速上升，時間歷經 323sec之後，相對溫度上 升即達 1.0；時間 1230sec 之後，相對溫度上升達 2.0。同樣地，位在板邊緣 T2 之溫度增幅相當小，由此顯見鋼板熱傳導效應仍然顯著，因此由電熱片產 生的熱量，快速且均勻地傳遞至熱傳導測溫板任意處，並經由熱對流作用而 將熱量散逸至外界。 繼續採用曲線擬合方法，將圖 4.3中 T1 之數據透過數學方法來代入一條 數學描述方程式。經由擬合的結果，圖 4.4 中的曲線仍為 3 次多項式；從圖 4.4 中的3 次多項式擬合曲線可看出，加熱時間即使歷經t=1800 秒，相對溫度 值達到T =2.112，而且仍在持續的上升中，故擬合曲線仍存在相當大的斜率 值，此意味溫度仍處於暫態(Transient State)。 緊接著，我們將加熱片直接運用在實驗主體－瓦斯桶，由於瓦斯桶身的 面積較熱傳導測溫板大很多，因此實驗首先採用 2 片電熱片，經由電線並聯 以增加加熱面積【附錄 A.2】。在此實驗中採用 4 根熱電偶線：T1 連接處為瓦 斯桶外部接頭出氣孔處下方瓦斯桶身、T2 接處為瓦斯桶身內部最底層、T3連 接處為瓦斯桶身內部上方處、T4 連接為外在環境溫度。經由 12V的輸入電壓， 圖 4.5為描述熱傳導測溫板之相對溫度上升狀態，其中縱座標為相對溫度、橫 座標為時間。 從圖 4.5可看出 T2與T3 的數據分布始終在T1 上方，這說明了在桶內的
溫度明顯較桶身高，也意味電熱片通電以後產生之熱量，迅速地經由鋼壁徑 向傳導進入桶內，另一部份熱量沿著鋼壁軸向傳導到桶身上下，由於二片電 熱片緊緊地包覆在瓦斯桶身，顯然熱量傳導進入桶內較快且較多，逐漸在桶 內蓄積的熱量越來越多，故 T2 與T3的溫度會較 T1高，且溫度差距隨著時間 增加有漸漸擴大的趨勢。此外，由於桶身的熱量一旦高於外界溫度後，將會 透過熱對流效應散逸到外界環境，這也是造成 T1的溫度會較 T2與 T3低的原 因。另外，從瓦斯桶內的溫度 T2 與T3互相比較可看出，T2 始終略高於T3， 最大溫差值為 0.9℃；在整個加熱過成中，T2 平均高於T3為 0.37℃。瓦斯桶 內下方溫度 T2 會比上方溫度 T3 要高，主要的原因是電熱片裝配位置係在靠 近瓦斯桶身下方。 為進一步瞭解電熱片的加熱情況，我們將圖 4.5中受到影響的 T1、T2及 T3 溫度數據再度重新整理如圖 4.6 所示。若使用曲線擬合圖 4.6 中數據組， T1、T2及 T3之數據透過數學方程式予以描述。經由擬合的結果，圖 4.6中的 三條曲線均為 3次多項式；從圖 4.6中的擬合曲線可看出，加熱時間即使歷經 t=1800 秒，在瓦斯桶內 T2與 T3 的相對溫度仍持續在上升中，故擬合曲線依 然具有相當大的斜率值，其中 T2的斜率為 2.778×10-3 ℃/sec、T3的斜率則為 1.667×10-3 ℃/sec，此意味桶內溫度仍處於暫態。在此實驗中我們可發現，當 時間 t=1800秒時，T1、T2及 T3的溫度分別為 25.6、28.1及 27.4℃；T1、T2 及 T3的相對溫度分別為 0.42、0.57及 0.52。 相對地，在桶外桶身的熱電偶 T1 溫度變化情況，如圖4.6 之藍色圓點數
據分布；由圖顯見，當時間達 t=1620 秒左右，相對溫度即已趨於緩和的水平 狀態，此正意味 T1 溫度已達穩態。若再檢視圖 4.6 之 T1 溫度擬合曲線，當 時間達 t=1800秒時，擬合曲線之斜率為0，據此亦可證明 T1溫度已達穩態之 事實。 為強化瓦斯桶的加熱效果以催化存底殘液的揮發，我們將電熱片由原來 的 2片增加為 4片，重新再執行上一實驗的溫度量測，結果如圖 4.7所示。再 從圖 4.7顯示，T2與 T3的溫度在時間t=630sec左右會有高低交錯的現象。也 就是電熱片在剛開始加熱（t=0）後，瓦斯桶內上方的溫度 T3 會比下方的溫 度 T2要高，但時間630秒後，下方溫度T2 反而高於上方溫度T3。探討此原 因，應該是電熱片剛開始運作後產生之熱量，沿著鋼壁傳導到桶身上方比徑 向對流進入桶內的速度快，而且上方的桶徑係逐漸縮小，因此上方溫度 T3會 比下方溫度 T2高，經過一段時間（t >630秒）後，整個熱傳遞逐漸達到平衡 之後，位在桶身偏下方的電熱片持續地供給熱量，下方溫度 T2會反高於上方 溫度 T3。 最後，我們將圖 4.7 中受到影響的 T1、T2 及 T3 溫度數據再度重新整理 於圖 4.8。接著採用曲線擬合圖 4.8 之T1、T2及 T3數據，透過數學方程式予 以描述。經由擬合的結果，圖 4.8中的三條曲線仍為3 次多項式；從圖 4.8中 的擬合曲線可看出，加熱時間即使歷經 t=1800秒，T1、T2及 T3溫度仍持續 在上升中，故擬合曲線依然具有相當大的斜率值，其中 T1、T2 及 T3 的溫度 分別為 37.1、42.3 及 41.0℃；T1、T2 及 T3 的相對溫度分別為 0.83、1.08 及
1.02；T1、T2 及T3的斜率則分別為 2×10-3、4×10-3及 2×10-3 ℃/sec，此意味 桶內溫度仍處於暫態。 若將採用採用 2 片（圖 4.5、圖 4.6）與 4 片（圖 4.7、圖 4.8）電熱片的 結果做一比較，我們可歸納如表 4.1所列的結果。 表4.1 採用2 片與4 片電熱片的結果比較 t=1800秒 熱電偶 電熱片×2 電熱片×4 T1 25.6 37.1 T2 28.1 42.3 溫度 （℃） T3 27.4 41.0 T1 0.42 0.83 T2 0.57 1.08 相對溫度 （-） T3 0.52 1.02 T1 0 2×10-3 T2 2.778×10-3 4×10-3 擬合曲線斜率 （℃/sec） T3 1.667×10-3 2×10-3
第
第
第
第 4.2 節
節
節 瓦斯桶內壓力推估
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瓦斯桶內壓力推估
瓦斯桶內壓力推估
瓦斯桶內壓力推估
本論文係採用 5 kg容量之瓦斯桶，為確保實驗之安全性而將桶內之瓦斯
完全洩漏，無任何殘存之瓦斯液體或氣體，因此實驗用瓦斯桶內僅具有空氣。
根據理想氣體定律(Ideal Gas Law)可知，溫度的改變會直接引起氣體密度與壓
力的變化，若以方程式描述（杜鳳棋、王鴻烈，2011）可寫成： RT ρ = P (4.3) 式中 P 為絕對壓力（錶壓+大氣壓），ρ 為密度(Density)，R 為氣體常數(Gas Constant)，T為絕對溫度（℃+273 K）；對於標準空氣而言，R=0.2869 kJ/kg-K。 透過(4.3)式，我們將可輕易的計算在任何溫度狀況下，瓦斯桶內空氣的壓力， 我們亦可輕易的推估在任何溫度狀況下，瓦斯桶內丙烷與丁烷混合之蒸氣壓 力（林正元，2012）。 在本論文的實驗中，當電熱片輸入電能開始加熱後，熱量會以熱傳導(Heat
conduction)形式通過鋼製桶身，再以熱對流(Heat convection)形式傳遞至桶內
的流體。當桶內之流體一部分受熱時，體積膨脹、密度減少，所以會逐漸的 上升，其位置由周圍溫度較低、密度較大的流體補充之，此流體再受熱上升， 周圍物質又持續補充，如此循環不已，遂將熱量由流動之流體傳遞到桶內各
處，同時也促使桶內的壓力逐漸升高。上述之自然對流(Natural convection)的
位於桶內上方 T3 與下方 T2 的溫度並不相同。為了簡化瓦斯桶內壓力的推估 程序，在此假設流體的密度為均勻(Homogeneous) ，桶內的流體具有溫度均 一性(Homogeneity)；因此桶內的溫度採用 T2 與 T3 的平均值 Tm作為壓力推 估基準，意即： 2 3 T + 2 T = Tm (4.4) 本節首先考慮瓦斯空桶加熱後之壓力變化，由於已將瓦斯完全洩漏，故 桶內僅存有空氣。當電熱片導入電能而開始加熱後，溫度會持續的增加，根 據理想氣體定律的描述可知，溫度的提高會直接引起氣壓力的增加。從先前 （第 4.1 節）加熱效果的實驗（參見圖 4.9），我們直接將各種穩定加熱狀態 下，壓力的變化情形予以記錄。同時，透過理想氣體定律[ (4.3)式]計算瓦斯桶 內空氣的壓力變化，其中空氣密度假設隨著桶內的平均溫度 Tm變化，結果如 圖 4.10所示。 在圖 4.10中，縱座標為錶壓力值，單位採用kg/cm2；橫坐標為溫度，單 位使用℃。圖中的數據分佈分別為理想氣體定律計算所得之理論值(Theoretical
Value)，及使用壓力計所量取的實驗值(Experimental Value)，其中理論值利用
線條擬合結果係呈線性狀態，實驗值則是透過 3 次多項式所擬合的結果。根
據理想氣體定律計算得知，桶內之平均溫度 Tm從 25.2℃增高到43.9℃，壓力
擬合曲線可知，電熱片剛開始加熱後，桶內壓力隨著溫度增加會迅速增高， 及至溫度達到 37.5℃以後，桶內的壓力與溫度的關係逐漸呈線性。若採用相 對溫度來表示，則T =0.506，實驗值擬合曲線即呈線性，根據上一節結論得知， 此時加熱進行仍處於暫態情況。再從圖中理論值與實驗值的差異可知，封閉 在桶內的壓力值增加幅度極為可觀。 再從圖 4.10 觀察到，由於瓦斯桶均為鋼板構成之容器瓶身，一般都是使 用 CNS2947（焊接結構用軋鋼料）之材料或具同等以上性能之材料（林正元， 2012），所以當加熱帶開始加熱後，熱量很快的藉由熱傳導的形式傳遞至桶 身，部分熱量再透過熱對流形式傳遞至桶內流體；由於桶身熱傳導的熱量傳 遞方式遠較桶內流體熱對流迅速，故加熱帶剛開始導入的熱量都被整個瓦斯 桶所吸收，所以會出現錶壓力隨時間的的增加呈現曲線遞增，在加熱時間進 行一段時間後，曲線斜率才會逐漸的呈線性遞增。 接著，我們再來探討電熱片實際運用在瓦斯桶的壓力變化情形。再從先 前加熱效果的實驗，我們直接對應到丙烷與丁烷混合之蒸氣壓力，換算結果 如圖 4.11所示。在圖4.11中，縱座標表示錶壓力值，單位採用kg/cm2；橫坐 標代表桶內的平均溫度 Tm，單位使用℃。最後，我們將注意到圖 4.10 與圖 4.11 的縱座標，雖然都是表示錶壓力，而且單位都是採用 kg/cm2，但兩者的 數值相差將近 100 倍！在同樣承受相同的桶身溫度變化情況下，液化石油氣 （50%丙烷＋50%丁烷）隨溫度變化的敏感度顯然比空氣高出許多，我們再從 圖 4.11 的預估數據來看，桶內之平均溫度 Tm從 25.2℃增高到 43.9℃，壓力
則從 6 kg/cm2增加至 10.23 kg/cm2，增加幅度約為 70.5%，增幅相當的驚人！ 這也意味本論文研發的電熱片對於瓦斯桶增壓效果極為顯著，連帶的對於解 決瓦斯殘液問題具有極大助益。 再觀察圖 4.11預估數據的擬合結果顯示，桶內平均溫度 T 與壓力係呈線 性變化，擬合直線可透過下列關係式描述： ) 2 . 25 ( 227 . 0 6+ − = Tm Pg (4.5) 式中溫度的單位使用℃，壓力為錶壓力 Pg，其單位則採用 kg/cm2；上式的試 用範圍在 25~45℃之間。一般的瓦斯桶檢驗壓力為 27.5 kg/cm2（林正元， 2012），若以(4.5)之線性擬合直線推估，將可準確預估桶內的壓力值。
圖4.1 熱傳導測溫板之相對溫度測量圖(5V)
圖 4.3 熱傳導測溫板之相對溫度測量圖(12V)
圖 4.5 瓦斯桶實驗之相對溫度測量圖(12V×2)
圖 4.7 瓦斯桶實驗之相對溫度測量圖(12V×4)
圖4.9 實驗進行中之瓦斯桶壓力測量情形
第
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第 5.1 節
節
節 綜合歸納
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綜合歸納
綜合歸納
綜合歸納
桶裝瓦斯從液態轉變成氣態需吸收外界熱量，假使桶內的瓦斯存量所剩 多，則氣態瓦斯量及壓力將會呈現明顯不足的狀態，以致燃燒器的火力不夠 旺盛，尤其瓦斯桶置放在低溫的情況更為嚴重。經由實驗測量結果，我們可 將上一章的討論綜合歸納出以下的結論： 一、採用 2 片電熱片，輸入電壓為 12V 的實驗： 桶內下方溫度會比上方溫度要高，主要的原因是電熱片裝配位置係在靠近 瓦斯桶身下方；最大溫差值為 0.9℃、在整個加熱過成中，平均高 0.37℃。 加熱時間 t=1620 秒，在桶外桶身的相對溫度即已趨於緩和的水平狀態， 此正意味溫度已達穩態。 加熱時間 t=1800 秒，在瓦斯桶內的溫度仍持續在上升中，擬合曲線依然 具有相當大的斜率值，其中桶內下方相對溫度曲線的斜率為 2.778×10-3 ℃ /sec、桶內上方相對溫度的斜率則為 1.667×10-3 ℃/sec，此意味桶內溫度仍 處於暫態。 加熱時間 t=1800 秒，瓦斯桶身的溫度為 25.6℃、桶內下方與上方的溫度 分別為 28.1 與 27.4℃；瓦斯桶身的相對溫度為 0.42、桶內下方與上方的 相對溫度分別為 0.57 及 0.52。 二、採用 4 片電熱片，輸入電壓為 12V 的實驗： 在剛開始加熱（t=0）後，桶內上方的相對溫度會比下方高，但時間 630加熱時間 t=1800 秒，瓦斯桶身與瓦斯桶內的溫度仍持續在上升中，故擬 合曲線依然具有相當大的斜率值，其中桶身、桶內下方及桶內上方的溫度 分別為 37.1、42.3 及 41.0℃；相對溫度分別為 0.83、1.08 及 1.02；斜率則 分別為 2×10-3、4×10-3及 2×10-3 ℃/sec，此意味桶內溫度仍處於暫態。 依據本論文的實驗數據分析，我們深刻的體認到採用越多電熱片，溫度 將能越快的提升，對於存底殘液得揮發效果越有助益。相對地，使用越多電 熱片須提供更多的電能，且溫度達到穩態的時間將拖長，迅速的升溫亦會危 害到桶內存底殘液的揮發穩定度，這些都會與本論文所要求達成的目標背道 而馳，因此如何在節能與安全之間取得平衡點，則是我們在研發過程中所考 慮的重點。 本論文係採用 5 kg 容量之瓦斯桶，為確保實驗之安全性而將桶內之瓦斯 完全洩漏，無任何殘存之瓦斯液體或氣體，因此實驗用瓦斯桶內僅具有空氣。 根據理想氣體定律計算得知，桶內之平均溫度 Tm 從 25.2℃增高到 43.9 ℃，壓力則從 99.9kPa 增加至 100.5kPa，增加幅度約為 0.6%。 液化石油氣（50%丙烷＋50%丁烷）隨溫度變化的敏感度比空氣高出許多， 從實驗數據的預估數據來看，桶內之平均溫度 Tm 從 25.2℃增高到 43.9 ℃，壓力則從 6 kg/cm2增加至 10.23 kg/cm2，增加幅度可達 70.5%。 在 25~45℃之間，桶內平均溫度 T（℃）與壓力 P（kg/cm2）係呈線性變 化，擬合直線可透過下列關係式描述：
一般的瓦斯桶檢驗壓力為 27.5 kg/cm2（林正元，2012），若以(4.5)之線 性擬合直線推估，將可準確預估桶內的壓力值。由實驗預估顯示，本論文研 發的電熱片對於瓦斯桶增壓效果極為顯著，連帶的對於解決瓦斯殘液問題具 有極大助益。
第
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第 5.2 節
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節 未來展望
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未來展望
未來展望
未來展望
在 2007 年 3 月，歐盟提出了 20-20-20 宣言(20-20-20 Agenda) （SHV Energy，2007），預計要在 2020 年前達成 3 項目標：降低溫室氣體排放量 20%、 增加再生能源(Renewable Energy)在能源消耗的比重至 20%及降低能源需求量 20%。為了要達成宣言的目標，液化石油氣(LPG)將扮演一個重要且關鍵的角 色。LPG 是一種世界公認的潔淨能源，具有許多優點及市場競爭優勢（SHV Energy，2008），未來仍將是家庭用戶的能源主流。 本論文所研發的裝置，將能有效的解決桶裝瓦斯存底殘液的問題，是真 正能締造「消費者」與「瓦斯行」達到雙贏的利器，更能符合節能減碳的潮 流趨勢。由於具有成本低廉、使用安全、操作簡便、攜行便捷及耗能輕微等 優點，所以商品化的價值很高、市場潛力更是不容小覷，這就是本論文所欲 開創創新研發的價值，如圖 5.1 所示。 本論文研究除可達成預定的加熱功能，從安全性、經濟性及便利性等面 向考量，同時具備許多優勢，如下所述： 安全性： 加熱面採用耐高溫 300℃之耐燃布； 加熱源使用無火星之矽膠薄電熱片； 密封式無火星溫控開關； 可浸水不漏電矽膠發熱線。經濟性： 附有溫控開關，當瓦斯桶身溫度降低至設定值才會自動通電加熱； 加熱平均 1 小時耗電量為 0.1 度；換算使用 1 元電費可換回 50 元瓦斯費。 便利性： 加熱帶體輕薄短小，攜行方便； 裝配時相當簡便免用任何工具，兩端具有強力磁鐵，使用時只要將帶體 緊貼於瓦斯桶身。 本研究創作能有效的解決桶裝瓦斯殘液的問題，是真正能締造「桶裝瓦 斯消費者」與「瓦斯行」達到雙贏的利器。由於具有成本低廉、使用安全、 操作簡便、攜行便捷及耗能輕微等優點，所以商品化的價值很高、市場潛力 更是不容小覷。
圖 5.1 創新研發的價值
參考文獻
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參考文獻
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