運用於桶裝瓦斯殘液之揮發裝置

大華科技大學

機電工程研究所

碩士論文

運用於桶裝瓦斯殘液之揮發裝置

A Volatilized Device

for Residual Liquid of L.P.G. Cylindrical

Container

研 究 生：林正元

指導教授：杜鳳棋 博士

運用於桶裝瓦斯殘液之揮發裝置

A Volatilized Device for Residual Liquid of

L.P.G. Cylindrical Container

 

研究生: 林正元 Student: Jeng-Yuan Lin 指導教授: 杜鳳棋 博士 Advisor: Dr.Feng-ChyiDuh

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 and Technology

In partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of

Master of Science In Mechatronic Engineering September 2012 Hsinchu,Taiwan,Republic of China

中 華 民 國 一 0 一 年 九 月

摘 要

液化石油瓦斯的主要成份為丙烷與丁烷，二種成份約各佔 50%，其中液 化丙烷的沸點為-42.1℃、液化丁烷則為-0.5℃。當使用桶裝瓦斯時，丙烷 沸點低會先氣化，漸漸的丙烷比率逐漸降低，至桶內瓦斯快用完時，丁烷 比率高會產生黃燄端（紅火），並因而燃燒不完全，較易產生瓦斯味。因 此，讓人誤以為沒有瓦斯或燃燒效率變差，進而更換瓦斯桶使桶內留有殘 液。 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。本研究提出一種「桶裝瓦斯殘液揮發裝置」，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，使用撓性導線連接於控制盒； 控制盒設有壓力感測元件，可用以監測瓦斯桶內壓力。當桶內之瓦斯使用 到低於某一程度時，壓力會降低至某一值，藉由控制盒之開關的開啟使電 熱元件導電加熱，進而使瓦斯桶內增壓，促使瓦斯殘液得以完全揮發使用， 以免除瓦斯殘留於桶內。 關鍵詞：桶裝瓦斯、殘液、揮發裝置

ABSTRACT

The main ingredients of liquefied petroleum gas (LPG) are propane (C₃H ) ₈ and butane (C₄H₁₀), each ingredient takes 50% of total. In which the boiling point (the temperature for liquid turn into gaseous) of propane is -42.1℃, and for liquefied butane is -0.5℃. When using the cylinder gas, the boiling point of propane is lower and it will gasify faster. Gradually, the rate of propane will lower. When the cylinder gas is almost running out, the rate of butane is higher and the color of flame turns to yellow. And it may produces the gas smell because it combusts incompletely. Therefore, it makes us think that the gas in cylinder is out or the efficiency is getting worse, so we change the cylinder gas and become residual liquid.

There＇s over 3.4 million families use cylinder gas in Taiwan, and it＇s much higher than families which use liquefied natural gas. It＇s the problem that the gas will store at the bottom of the cylinder become the residual liquid, and this problem affects interests of mass consumer. This dissertation proposed the topic of 「 A volatilized device for residual liquid of cylindrical container」, we presented a newly designed a device mainly has a waterproof canvas,

it can be circled at the bottom of the cylinder. There are magnets at two ends of this device so it can be tied on barrel tightly. The electrical heating element is set inside the waterproof canvas which uses flexible wire to connect the control box. Control box has pressure detecting element and it can detect the pressure inside the cylinder. When the gas is used till lower than a level, the pressure may also lower and reach a level. The switch of control box will turn on at the time, and the cylinder gas will be heated by the electrical heating element which is connected to control box. It will increase the pressure inside the cylinder, promoting the residual liquid to evaporate in case the residual liquid store at the bottom of cylinder.

誌 謝

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，亦感謝所有同學相互勉力與協助，對於論文及課業之完成受益匪 淺，永誌不忘。 本研究感謝行政院國家科學委員會 NSC100-2622-E-233-002-CC3 的經 費補助，讓本論文得以順利進行，特此申謝。 最後，我要藉此向杜鳳棋教授、謝振中教授及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。 林正元 謹誌

目 錄

頁數 摘要 IV 致謝 VI 目錄 VIII 圖目錄 X 表目錄 XII 符號及縮寫表 XIII 第一章 導論 01 第二章 背景 04 第 2.1 節 瓦斯的成份 04 第 2.2 節 瓦斯桶的安全 10 第 2.3 節 瓦斯的安全管理 16 第 2.4 節 瓦斯桶的熱傳遞 21 第三章 研究方法 24 第 3.1 節 問題的剖析 24 第 3.2 節 解決的方案 28 第 3.3 節 可行性分析與效益評估 31 第四章 結果與討論 34

第 4.1 節 實驗說明 34 第 4.2 節 加熱帶之加熱效果 36 第 4.3 節 瓦斯桶內壓力推估 40 第五章 結論 43 第 5.1 節 創作特色 43 第 5.2 節 創作潛力 44 第六章 未來展望 46 參考文獻 48 著作 52 附錄 69 附錄 1 專有名詞註解 69 附錄 2 專有名詞定義 71 附錄 3 鋼材規範 73 附錄 4 「液化石油氣容器認可基準」之部分條文 75

附錄 5 Basic facts about LPG 87

附錄 6 Storage of LPG cylinders 89

圖目錄

頁數 圖 2.1 丙烷與丁烷混合之蒸氣壓力 53 圖 2.2 能量守恆的一般形式示意圖 54 圖 3.1 解決桶裝瓦斯殘液方法之性能評估比較圖 54 圖 3.2 利用太陽能轉換為電源之瓦斯殘液揮發裝置 55 圖 3.3 使用瓦斯燃燒回收廢能之瓦斯殘液揮發裝置 56 圖 3.4 瓦斯殘液揮發裝置之組合單元圖 57 圖 3.5 瓦斯殘液揮發裝置的元件立體圖 57 圖 3.6 瓦斯殘液揮發裝置的控制元件方塊圖 58 圖 3.7 實驗組裝照片（一） 58 圖 3.8 實驗組裝照片（二） 59 圖 3.9 實驗組裝照片（三） 59 圖 3.10 瓦斯桶壓力計 60 圖 3.11 瓦斯殘液揮發裝置的的預估製作經費 60 圖 4.1 實驗裝置圖 61 圖 4.2 實驗步驟圖 62 圖 4.3 熱電偶裝配示意圖 63 圖 4.4 加熱片的電流(I)與電壓(V)關係圖 63

圖 4.5 加熱效果圖（輸入電壓 6 V） 64 圖 4.6 加熱效果圖（輸入電壓 12 V） 64 圖 4.7 加熱效果圖（輸入電壓 18 V） 65 圖 4.8 加熱效果圖（輸入電壓 24 V） 65 圖 4.9 加熱效果圖（輸入電壓 30 V） 66 圖 4.10 加熱效果對於相對溫度之影響 66 圖 4.11 瓦斯空桶加熱後之壓力變化 67 圖 4.12 家用瓦斯加熱後之壓力變化 67 圖 A.1 溫度測量不準確度分析 68

表目錄

頁數 表 2.1 液化石油氣與天然氣的比較 04 表 2.2 丙烷與丁烷的特性 06 表 2.3 液化石油氣的特性 08 表 2.4 空氣中之一氧化碳濃度與中毒症狀 09 表 3.1 桶裝瓦斯殘液揮發裝置的主要元件表 30 表 4.1 加熱帶之加熱效果(t=1200 s) 38 表 A.1 溫度測量不準確度分析 92

符號及縮寫表

CNS 中華民國國家標準(Chinese National Standards) CO-Hb 一氧化碳血紅素(Carboxyhaemoglobin) CS 控制表面(Control surface) CV 控制容積(Control volume) c 比熱(Specific heat) J/kg K cv 變異係數(Coefficient of Variation) CH₃CH₂SH 乙硫醇(Ethyl mercaptan) C₃H₈ 丙烷(Propane) C₃H₈S 異丙硫醇(2-Propanethiol) C₄H₈O 四氫塞吩(Tetrahydrothiophene) C₄H₁₀ 丁烷(Butane) C₅H₁₂ 戊烷(Pentane) D 瓦斯桶直徑(Diameter) m g

E& 能量產生(Energy generation) W

in

E& 能量進入系統控制表面的速率 W

out

st

E& 能量儲存(Energy storage) W

H 瓦斯桶高度(Height) m

HHV 高熱值(Higher heating value) kcal/kg

h 對 流 熱 傳 遞 係 數 (Convective heat transfer coefficient) W/m2K

I 電流(Electric current) A

I_i 輸入電流 A

LHV 低熱值(Lower heating value) kcal/kg

LPG 液化石油氣(Liquefied petroleum gas)

M 摩爾質量(Molar mass) g/mol

m 質量(Mass) kg

n 物質的摩爾數 mol

NG 天然瓦斯(Natural gas)

P_abs 絕對壓力(Absolute pressure) Pa、kg/cm2

P_atm 大氣壓力(Atmospheric pressure) Pa、kg/cm2 P_e 電功率(Electric power) W

P_g 錶壓力(Gauge pressure) Pa、kg/cm2

P_o 瓦斯桶壓力 kg/cm2

R 電阻(Electrical resistance) Ω

R_{o 萬有氣體常數(Universal gas constant) 8.} S 標準偏差(Standard deviation)

S/N 信號雜訊比(Signal-to-noise ratio) x

S

算術平均值標準偏差(Standard deviation of mean)

T_a 瓦斯桶身溫度或環境溫度 ℃ T_m T2 與 T3 的平均值 ℃ T_o 瓦斯桶溫度 ℃ TS 抗拉強度(Tensile strength) N/m2 T_s 外界環境溫度 ℃ V 電壓(Electric voltage) V V_j 輸入電壓 V v 流速(Velocity) m/s

x

平均值(Average value) YR 降伏比(Yield ratio) - YS 降伏強度(Yield strength) N/m2 ρ 密度(Density) kg/m3 υ 瓦斯桶體積(Volume) m3 φ 環境濕度(Humidity)

第一章 導論

從國民政府播遷來台到 1970 年代的臺灣，家庭主要是採用柴薪與煤炭類燃 料作為熱源；在 70 年代以後，隨著居住型態的劇烈轉變及液化石油氣技術的興 起，瓦斯燃料為超過八成以上的臺灣家庭所廣泛採用，尤其是桶裝瓦斯的使用 更為普及。現在不管是燒開水、煮飯或洗澡，瓦斯都是我們每天必用的能源， 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，但同時也帶來了新 的問題。 使用桶裝瓦斯都會有切身的經驗，就是當瓦斯快用盡時，很多用戶將瓦斯 桶倒置地上左搖右晃，或者讓桶身平置在地上滾來滾去，如此可使內部殘留的 瓦斯再燃燒延續片刻。然而，我們所看到人們將瓦斯桶處於底高於頭、上下顛 倒、平放等觸目驚心的畫面，甚至於將桶裝瓦斯放置在熱水中，或是擺放在烈 日照射處；由於鋼瓶的熱漲冷縮或是瓦斯受熱汽化，均會導致瓦斯桶內部壓力 過大，極有可能會有爆炸的危險性！ 由於桶裝瓦斯係以高壓液化方式，雖然容器本身為鋼材結構，可承擔較大 的蒸氣壓，且有避免壓力過高的洩壓閥(Pressure relief valve)裝置，安全性 相當良好【附錄 1】。此外，瓦斯桶皆有鎖上防漏封頭，過去舊型瓦斯桶裝配的 是盲封頭，新型桶裝配的則是改良過的防漏封頭，要使用瓦斯時不需移除，可 直接再鎖上桶裝瓦斯用的管線。然而，瓦斯桶內部的液化石油氣係被壓縮到

將會產生危險。此外，瓦斯桶內的液化石油氣為液體與氣體共存的飽和蒸氣壓 (Saturated vapor pressure)狀態，當鋼桶正立放置時，液體與氣體接觸面較 小、較安全。若鋼桶橫放平置時，液體與氣體接觸面較大、較不安全，而且橫 放桶身容易滾動，接觸面磨擦頻率增加，促使液體氣化(Gasification)而壓力 增大，影響桶裝瓦斯的安全性。 夏天時；氣溫高，瓦斯用量低，所以使用瓦斯時，是短暫幾秒爐火就熄滅，這 表示瓦斯用盡，瓦斯桶內幾乎沒存底。瓦斯會留存底為什麼都發生在冬天？原 因是冬天氣溫低，熱水器需更大火量才能將冰水升溫到較高溫度，瓦斯在釋出 時會吸收熱，也因此桶內溫度開始降低，溫度越低壓力越低，當桶內壓力低於 0.7 ㎏/㎝ 2時（瓦斯以處於低存量狀態），爐火開始慢慢變小，卻不會在短時 間爐火熄滅，瓦斯桶在低溫情況下，將週圍水氣凝結，產生像冒汗現象，此現 象表示瓦斯仍有殘氣，殘氣量大約剩 0.5 kg左右。通常，桶裝瓦斯都不會用到 完全沒氣，而殘留在鋼桶內無法使用的瓦斯稱之為殘液(Residual liquid)、殘 氣(Residual gas)或殘量。造成桶裝瓦斯殘液之主要原因有三點，如下所述： „ 因冬季氣溫低，若丙烷含量不夠會造成瓦斯桶內壓不足，致使部分的丁 烷、戊烷(Pentane，C₅H₁₂)及其他不飽和烯烴(Unsaturated alkenes)類 無法氣化而形成殘液。

„ 鋼桶未定期送檢而未處理殘液，故鋼桶內累積不易氣化之不飽和烯烴而 形成殘液。

力不足即無法再快速氣化燃燒使用，店家常立即換瓶使用，造成殘液留 存。

本研究係一種桶裝瓦斯殘液揮發裝置，主要為一防水帆布(Waterproof canvas)之帶體，在二端分別設有 S 極與 N 極之磁鐵，而可圍繞於瓦斯桶圓周下 方固定。帶體內部設有串連於溫控開關之加熱元件，加熱元件主要為一矩形之 矽膠電熱片(Silicon rubber heater)。當瓦斯桶殘留的液態瓦斯量較少時，經 由壓力計監測到桶內壓力低於一設定值，控制盒將會自動啓動加熱元件，以對 瓦斯桶進行加熱，提高液態瓦斯的氣化效果；在控制盒內設有短路過載的溫控 開關，當加熱元件之溫度高達一設定值，控制盒的溫控開關將會主動關閉加熱 電源，以防止桶內加熱後溫度過高。 行政院消保會曾指出，為解決長久以來桶裝瓦斯的空桶殘液問題，已有少數瓦 斯行業者開始在用戶家中裝設以類似電錶的「桶裝瓦斯計量器」，按表依照量 度數計費，依每公斤瓦斯價格換算，一度等於 2.3 kg瓦斯，每度 82.8 元；本研 究具備安全、有效的氣化殘留液態瓦斯之目的，對於消費者而言，可達到充分 的使用瓦斯而節省荷包；對於業者來說，可避免回收運送過程及存放瓦斯桶的 危險。

第二章 背景

第 2.1 節 瓦斯的成份

瓦斯就是燃料氣(Fuel gas)，主要有天然瓦斯和桶裝瓦斯等兩種。「天然 瓦斯」(Natural gas, NG)俗稱「天然氣」、「自來瓦斯」或「導管瓦斯」；液 化 石 油 氣 (Liquefied petroleum gas, LPG) 又 稱 為 液 化 瓦 斯 或 桶 裝 瓦 斯 (Cylinder gas)，或稱為液化氣、液化煤氣、液化瓦斯或鋼瓶氣(Bottled gas)， 最普遍的稱法為桶裝瓦斯；有關 LPG（液化石油氣）與 NG（天然氣）的主要差 別，如表 2.1 所列，包括：主要成分、與空氣比重、熱值、沸點(Boiling point) 及爆炸上下限等項目。 表 2.1 液化石油氣與天然氣的比較 項目 LPG（液化石油氣） NG（天然氣） 主要成分 丙烷(C₃H₈)＋丁烷(C₄H₁₀) 甲烷(CH₄) 與空氣比重 約為空氣的 1.5 倍 較空氣輕 熱值 12,000 kcal/kg 天然氣(1)：8,500 kcal/m 3 天然氣(2)：9,200 kcal/m3 沸點 丙烷：-42.7 °C 丁烷： -0.5 °C -161.6 °C 爆炸上下限 佔空氣比例 1.8%～9.5% 佔空氣比例 5%～15% 由於瓦斯是現代人炊食、沐浴不可或缺的燃料，已完全融入人們的生活中； 透過「家家有瓦斯、戶戶用瓦斯」來形容現今的家居必須用品，其實是一個相 當貼切的詮釋。

桶裝瓦斯常會面臨瓦斯行無法及時運送至用戶的窘境，在青黃不接時會「斷 氣」，使用上較不方便。然而，台灣地區使用天然氣的家庭也約有 160 萬戶之 多，但使用液化石油氣的家庭卻高達 340 萬戶以上（林文忠，2009；陳金隆， 2010）。若包含移動性的瓦斯用戶（如攤販），則桶裝瓦斯用戶更高達 470 萬， 可見桶裝瓦斯普遍性相當廣、普及率相當高，主要因為天然氣的管線並未普及 至鄉村與偏遠地方，桶裝瓦斯則擁有方便的移動性。因此，天然氣用戶數與桶 裝瓦斯用戶數相比較，在短期內仍難望其項背。 液化石油氣在 1910 年由沃爾特·史內林(Walter O. Snelling)博士首次生 產出來，1912 年出現了第一個商業產品（維基百科，2012a）。LPG係由原油煉 製 或 天 然 氣 處 理 過 程 中 所 析 出 ， 主 要 成 份 為 丙 烷 (Propane ， C₃H₈) 與 丁 烷 (Butane，C₄H₁₀)的混合物，其比例各為 50%：50%。丙烷（維基百科，2012b） 是處理天然氣或精鍊原油得到的副產物，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，對空氣的比重為 0.967。

和天然氣不同的是，丙烷比空氣重（大約是空氣的 1.5 倍），在自然狀態 下，丙烷會下落並積聚在地表附近。在常壓下，液態的丙烷會很快的變為蒸汽 並且由於空氣中水的凝結而顯白色。丙烷無毒，但是若濫用做吸入劑，有一定 因為缺乏氧氣而窒息的危險。同樣值得注意的是，商業產品中通常含有其他可

能導致危險的碳氫化合物。在常壓下，丙烷及其混合物快速揮發能造成凍傷； 在外界溫度是 20 ℃的情況下，丙烷液體仍然保持-42 ℃的低溫。 丁烷（維基百科，2012c）是石油裂化反應的產品之一，如果有充足的空氣 供應的情況下，丁烷燃燒時會產生二氧化碳和水蒸氣，如果在空氣供應不足的 狀態下，丁烷會產生碳和一氧化碳，丙烷與丁烷的特性，詳如表 2.2 的資料所 列（維基百科，2012b；維基百科，2012c），項目包括下列幾項： „ 化學符號(Chemical symbols)：丙烷 C₃H₈、丁烷 C₄H₁₀。 „ 分子量(Molecular weight)：單位物質的量的物質所具有的質量，又稱 爲摩爾質量(Molar mass)，用符號 M 表示。當物質的質量(Mass) m 以克 爲單位時，摩爾質量的單位爲 g/mol，在數值上等於該物質的相對原子質 量或相對分子質量。 n m M = (2.5) 式中n是物質的摩爾數(mol)。 表 2.2 丙烷與丁烷的特性 項目 丙烷 丁烷 化學符號 C₃H₈ C₄H₈ 摩爾質量（g/mol） 44.096 58.124 外觀 無色氣體 無色氣體 比重（空氣=1） 1.550 1.937 熔點（℃） -187.6 -138.4 溶解度（水）（g/cm3） 0.1 6.1

總發熱量（kcal/kg） 12,040 11,830 總發熱量（kcal/m3） 24,320 30,670 淨發熱量（kcal/kg） 11,070 10,860 發火溫度（℃） 510 490 „ 外觀：丙烷與丁烷由肉眼觀之，都是呈現無色的氣體。 „ 密度(Density)：指物體每一單位體積內的質量。 „ 熔點(Melting point)：指物體由固體溶化為液體的溫度。 „ 溶解度(Solubility)：在定溫定壓下，飽和溶液中所含溶質(Solute)的 質量。

„ 總發熱量：即高熱值(Higher heating value, HHV)又稱為粗熱值(Gross heating value)，為燃燒的真正發熱量，加上所有的燃燒產物(二氧化碳、 水…等)溫度降至燃燒前的溫度所釋放的熱量，其中最大的是水蒸汽凝結 為液態水所放出的熱。

„ 淨發熱量：即低熱值(Lower heating value, LHV)又稱為淨熱值(Net heating value)，就是把總發熱量扣除水蒸汽凝結為液態水的凝結熱； 因為這部分熱能是不可能被燃燒設備所利用到。 LPG的燃燒比汽油清潔，但略遜於天然氣。丙烷和丁烷混合物，LPG在正常 情況下，燃燒會產生除了二氧化碳和水之外的有機廢氣；同樣是這些鍵的原因， 液化石油氣燃燒存在可見的火焰。LPG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；液化石油氣在常溫、常壓下為氣體，

加壓或冷卻後可成為液體（液化）裝入鋼瓶中，出了鋼瓶即成氣體，提供用戶 使用。液化石油氣係以「重量」計算，通常是以「公斤」（kg）為單位；目前 市售的桶裝瓦斯以 5、10、20 kg填裝之鋼桶供應用戶。有關LPG的其他重要資料， 詳細記載於表 2.3（吳良雄，1986）。 瓦斯本身無毒，通常要有足夠的濃度才會使人窒息，一般在空氣中瓦斯需 達到 33%的含量，才會引起呼吸困難、肌肉不協調的窒息症狀，但是因為瓦斯中 加臭味劑（嗅劑），空氣中瓦斯含量達到 1%時，就可由正常人之嗅覺聞到，所 以幾乎沒有因為瓦斯洩漏造成人員窒息的案例。常用的臭味劑有：乙硫醇(Ethyl mercaptan；CH₃CH₂SH)、四氫塞吩(Tetrahydrothiophene；C₄H₈O)、異丙硫醇 (2-Propanethiol；C₃H₈S)等。 表 2.3 液化石油氣的特性 項目 特性 說明 無色無臭 法令規定一定要加入臭 味劑。 正常嗅覺下，天然氣在空氣中達爆 炸下限之 1/5 濃度前即可聞出臭味。 氣體比重 丙烷是空氣的 1.5 倍； 丁烷是空氣的 2 倍。 LPG 洩漏時會往地板下沉。 體積比 LPG 氣化後之氣體體積約 為液體體積的 250 倍。 1L(液態)LPG→250L(氣態) LPG。 氣化後比重 1.55～2.1 著火溫度 510 ℃ 在空氣中

當使用瓦斯不當而使燃燒不完全(Incomplete combustion)，若再加上使用 環境的通風不良，所產生的一氧化碳或過多的二氧化碳，則會造成非常嚴重的 中毒現象或死亡。一氧化碳(CO)易與血液中之血紅素(Haemoglobin，Hb)結合而 成CO血紅素鎂合物(Carboxyhaemoglobin，CO-Hb)，正常時Hb在肺臟接受氧氣， 而將氧氣供應於各組織。CO與Hb之親和力通常被認定為氧氣之約 210 倍以上， 當形成CO-Hb時倘能呼吸不含CO之空氣時，氧氣能緩慢解離CO而經由血液排出於 體外。CO之可怕在於它無色、無臭、無味，空氣中只要含有 0.08%的一氧化碳， 就會使人逐漸四肢無力、頭腦昏沈，然後意識慢慢模糊、昏迷；當含量達到 0.5%~% 時，1~2 分鐘左右即會令人死亡，死亡時皮膚呈粉紅色；空氣中之CO濃度與中 毒症狀如表 2.4 所列。 表 2.4 空氣中之一氧化碳濃度與中毒症狀 空氣中 CO % 吸入時間(小時) CO－Hb % 症 狀 0.01＜ 不定 0~10 無症狀 0.01~0.02 不定 10~20 輕度頭痛 0.02~0.03 5~6 20~30 頭痛 0.04~0.06 4~5 30~40 激烈頭痛、嘔吐、視力減退 0.07~0.10 3~4 40~50 同上，並有脈搏、呼吸故增加 0.11~0.15 1.5~3 50~60 脈搏吸急速、昏睡、抽筋 0.16~0.30 1~1.5 60~70 心臟衰竭 0.50~1.00 1~2 (分鐘) 70~80 脈搏、呼吸微弱而致死

第 2.2 節 瓦斯桶的安全

目前，台灣地區所消費之液化石油氣皆是由中油公司(CPC Corporation, Taiwan)產製或進口，經由管線銷售給經銷商，經銷商再售予分佈於全台各地區 之分銷商（俗稱瓦斯行），分銷商復委託運輸商前往經銷商的儲槽提氣並運往 分裝場，由分裝場分裝成小桶後送至分銷商。在 LPG 從經銷商分送到消費者期 間，主要的裝置容器是為鋼瓶；目前桶裝瓦斯的鋼瓶流通數量大約有 1160 萬支， 在台灣平均每 2 人就擁有一支鋼瓶，此意味著桶裝瓦斯的使用相當廣泛，安全 性當然就不容輕忽。 目前再市面上流通的鋼瓶應超過 50 種以上，在法規上的稱呼是瓦斯容器 (Gas container)或液化石油氣容器。本論文所提及的鋼瓶及俗稱的瓦斯桶，主 要專指流通在國內的大型鋼瓶，以前是灌裝煤氣用，現為則是充填液化石油氣 之容器。從民國五十年代迄今，LPG 成為多數家庭炊飯、沐浴…不可或缺之民生 並需品，而瓦斯鋼瓶也扮演著舉足輕重的腳色。 瓦斯壓力一般都以水柱高度 mmH2O、mmAq 或國際單位制（SI）巴斯卡 (Pascal)Pa 表示之。液化瓦斯的壓力為 280±50 mmH2O (2.8kPa)；天然瓦斯為 150 mmH2O (1.5kPa)。通常壓力使用的公制單位中，mmH2O、kg/cm2及 Pa 之間的 關係如以下所列： 1 kg/cm2 = 10,000 mmH₂O = 100,000 Pa = 100 kPa = 0.1 Mpa 1 Pa = 1 N/m2

瓦斯管內壓力有分兩種：靜壓(Static pressure) P_st 及動壓(Dynamic pressure) ρv2/2（杜鳳棋&王鴻烈，2011），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；一般 LPG 的標準動壓為 280 mmH₂O； LNG 的標準動壓則為 150 mmH₂O。一般瓦斯的靜壓大於動壓，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，故不可不慎！

在工程應用上，壓力均相對於大氣壓力(Atmospheric pressure) P_atm，此 種測量值稱為錶壓力(Gage pressure) P_g；因此絕對壓力(Absolute pressure)

P_abs等於大氣壓力加上錶壓力，如下列方程式所示 P_abs = P_atm + P_g (2.6) 在標準海平面的大氣壓力為 101.33 kPa 或 1.033 kgf/cm2【附錄 2】。 國內液化石油氣係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(P_g)為 7.4 kg/cm2， 丁烷的蒸氣壓的錶壓為 1.1 kg/cm2，溫度愈高時所需壓力愈大，如圖 2.1 所示 （客務服務與資源，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，以裝足 20 kg 標準桶裝瓦 斯為例，壓力在 4～8 kg/cm2，壓力非常的高！然而，為何會有 4～8 kg/cm2的 範圍差異，探討原因主要是溫度的影響。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。

由於天然氣 NG 的壓力是 150 mmH₂O（或 mm/Hg），桶裝瓦斯 LPG 壓力是 280

mmH₂O，因此市售的瓦斯爐與熱水器會分成兩種規格。為了將桶裝瓦斯的高壓 LPG

轉化成穩定燃料，藉以提供瓦斯爐具安全使用，主要的元件就是瓦斯調節器(Gas regulator)。瓦斯調節器接在鋼瓶容器閥和瓦斯軟管線之間，作用是調整瓦斯 出口壓力。目前國內瓦斯爐具、熱水器所採用的調節器為 CNS 3088(中華民國國 家標準：Chinese National Standards, CNS)，係屬於家庭液化石油氣專用的 低壓調整器，其標準壓力值為 280±50 mmH₂O。一般家用瓦斯調整器也應採用同 一規格，才能和一樣是 280 mmH₂O 規格的瓦斯爐具和熱水器相吻合。瓦斯調整 器就是把這麼大的壓力調整為 R：280＝28 g 或 R：500＝50 g，輸出給瓦斯爐具 使用。使用不合規格的瓦斯調節器會造成瓦斯爐具產生不完全燃燒，嚴重時還 會造成大量的一氧化碳生成物，或爐具浮火等現象，不但浪費瓦斯，若處於密 閉式空間，更易造成生命危險。 LPG 是將在室溫、6 個大氣壓的條件下液化，因此可裝入壓力鋼瓶。通常液 化石油氣只充滿容量的 85%，這樣可以給鋼瓶受熱時的氣體膨脹留出空間；液化 石油氣的膨脹比約為 250：1。出廠的瓦斯鋼瓶：16 kg 和 20 kg 裝的瓦斯鋼瓶， 每 5 年驗一次；10 年後每 3 年驗一次；使用 19 年後每年檢驗一次，消防署為主 管單位。

瓦斯桶屬鋼製桶體主要係以JIS SG255 等級以上之熱軋(Hot roll, HR)鋼片 製作而成（綠野鋼莊，2009），瓦斯桶依填充的瓦斯重量分類，主要區分為 9 kg 以下的輕便型，16~20 kg的家用型，與 25 kg以上的工業專用型等三大類。一般

使用厚度 2.0~3.0 mm的熱軋鋼捲(Steel coil)，經分條(Slitting)→胚片衝剪 (Blank cutting)→衝壓(Pressing)→銲接(Welding)→熱處理(Heat treatment) →塗裝，與檢、試驗合格後成為成品。並依據組合方式的不同，可分為二片式 及三片式兩種；其中三片式鋼瓶，是由兩個衝壓成半圓形的桶蓋，與一個圓柱 形的桶身銲接（維基百科，2012d）組合而成，但在桶蓋與桶身接合的「T形」 疊銲(Lap welding，或稱搭焊)部位，易產生的銲道(Weld)內裂問題，造成銲道 X光檢驗不合格。兩片式鋼瓶是直接以兩個較長的半圓形桶蓋，以一道銲接組合 而成，無「T形」銲道疊銲問題，鋼瓶的銲接品質較有保障，製造成本上亦較節 省，但對鋼材品質要求較嚴。 瓦斯鋼瓶因用於填裝有壓力之液化石油氣，首重安全性，故不論鋼材的機械 性能或鋼瓶製作的過程，世界各國除鋼材規範外，均訂有鋼瓶檢驗法規。且因 多數放置在室外，對溫帶與寒帶地區國家，在鋼瓶耐低溫脆性(Brittleness)要 求尤其嚴苛，設計上屬於中高強度與抗衝擊性要求鋼材，常用鋼材規範有：JIS G3116 與 ASME SA414 等【附錄 3】。鋼瓶依據使用安全與加工性能，對鋼材機 械性質的主要要求有： 一、降伏強度(Yield strength)YS：在機械與材料科學的定義，是有延展性 (Ductility) 的 材 料 受 力 在 彈 性 限 (Elastic limit) 以 上 時 ， 產 生 應 力 (Stress)和應變(Strain)比值反覆變化的情形，再稍微增加受力後，將會 產生破斷的應力值稱為降伏強度。

通常，瓦斯鋼瓶的降伏強度依設計不同，規格最小值要求自 255 Mpa 至 345 Mpa 區分為 3 至 4 種供選用。

二、降伏比(Yield ratio)YR：強度是(Strengh)指材料單位面積所能承受的應 力(Stress)，通常此性質係以拉伸試驗測得之鋼材降伏強度與抗拉強度 (Tensile strength)TS 值表示。在此定義降伏比(YR)為抗拉強度(TS)除以 降伏強度(YS)，即 YS TS YR = (2.7) 降 伏 比 大 小 可 反 應 材 料 應 變 強 化 ， 也 就 是 材 料 塑 性 變 形 (Plastic deformation)時不產生應變集中(Strain concentration)的能力；瓦斯鋼 瓶的降伏比需在 0.80 以下。 三、韌性(Toughness)：在材料科學及冶金學上，韌性是指當承受應力時對折斷 的抵抗，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。 一般在常溫狀況下，沙胚(Charpy)的衝擊值(Impact value)平均需在 27 焦 耳(J)以上，特殊環境須保證至-60 ℃。 四、衝壓成形性：伸長率(Elongation percentage)須達 22%以上；對二片式鋼 瓶用途，一般深抽比（胚片直徑/桶蓋直徑）水準需在 2.3 以上。 完成銲接後的鋼瓶，除整體進行應力消除或正常化熱處理外，並須通過下列 性能檢測： 一、外觀檢查：表面不得有深度超過 0.5 mm 的任何缺陷。

二、銲道檢查：以 X 光照相檢驗，銲道內不允許有任何裂紋存在。 三、水壓爆破檢驗：爆破後母材(Base metal)不可呈碎片狀，且體積增量(Volume increment)需在 10%以內。 瓦斯鋼瓶屬於工礦安全與消防檢查認證之管制商品，除出廠檢驗並需每年複 驗，目前國內流通使用中的 16~20 kg 桶約有 300 萬支，每年經內政部消防署複 驗汰換比率約達 10%，估計年內需用鋼約 6,000 公噸；加以外銷東南亞、中國大 陸與 BBQ（燒烤，Barbecue）產業用的 4.5~16 kg 桶，潛在市場年需求達 400 萬 支以上，估計年用鋼需求超過 30,000 公噸，為極具開發潛力的產品。 由於各國瓦斯鋼瓶檢驗法規規定日益嚴格（曾祥照，2002），傳統的三片 式鋼瓶已無法完全滿足安全性能要求，國內中鋼公司早於民國 86 年後，即已陸 續完成瓦斯鋼瓶用 40 kg級（SG255）與 45 kg級（SG295）鋼材開發，供應國內 業者製作二片式瓦斯鋼瓶，並具備生產 50 kg級（SG325）的能力（綠野鋼莊， 2009），其中SG255、SG295 及SG325 均屬型號為JIS G3116 之高壓氣體容器用熱 軋鋼。同時，中鋼公司亦可隨時配合業者開發更高品級鋼瓶需求，為我國瓦斯 鋼瓶與BBQ產業再開創新的契機。

第 2.3 節 瓦斯的安全管理

桶裝瓦斯液態變氣態會吸收外界的熱量，當瓦斯量剩約 3 kg，若需供應大 耗量（如快速爐、熱水器）的燃燒器(Burner)，氣態瓦斯量及壓力會不足，以 致燃燒器火力不旺，尤其瓦斯桶置放處溫度低於 15 ℃時更嚴重；像是在冬天因 為大氣壓力改變，使用桶裝瓦斯會更容易有存底殘氣，可能一桶有 0.5~1.0 kg 左右的殘氣，也因此桶裝瓦斯都會有殘液(Residual liquid)或稱殘氣(Residual gas)的問題存在。 根據資料統計顯示（翁永全，2009），桶裝瓦斯用戶一年被浪費的瓦斯費 損失，即足以購得國家度量衡檢定合格之計量表一台，民眾增加的負擔極其有 限，並能落實桶裝瓦斯「以表計價」。在世界能源價格不斷攀升的情況下，能 源議題在最近與未來都是具有最大的施展空間。據瓦斯公會之推估，推動桶裝 瓦斯「以表計價」所衍生的硬體商機至少百億元，並創造可觀的就業機會，值 得各界重視。已有少數瓦斯行業者開始在用戶家中裝設桶裝瓦斯計量器，依照 量度數計費；而日本推行的時間更長達數十年之久，成功的經驗足可借鏡，且 流量計更已進步至微電腦控制。日本使用微電腦瓦斯表已十年，績效卓著，強 大的軟體功能不僅可降低瓦斯災害事故，且可防止人為「偷氣」。因微電腦瓦 斯表價格較高，該會建議可從較簡單的機械式流量計著手，但微電腦瓦斯表仍 是未來的發展趨勢。

由行政院消保會於 98 年 11、12 月間會同經濟部及內政部消防署，進行桶 裝瓦斯殘液查核結果顯示（鄭淑婷，2007；王怡茹，2010；唐鎮宇，2010）， 每桶均留有殘液 0.01~4.53 kg不等（羅怡如，2010），除少數業者攜帶磅秤將 殘液扣抵退還消費者外，大多數業者不對殘液退款，因此大部份殘液是由瓦斯 行獲利（林怡秀，2010）。行政院消保會已建議經濟部研議改革桶裝瓦斯計價 方式（林秀姿，2011），同時督促地方政府加強查緝開罰，研議瓦斯行收費時 攜帶秤重器材，最好是幫消費者安裝計量器。但就消費者而言，其實能桶裝瓦 斯完全用罄而不留殘液，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(Pressurized gas cylinder) （Market Research Report，2011；維基百科，2012e）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 250 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。 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，正本清源之到乃是消除殘液的存在。 行政院消保會曾指出，為解決長久以來桶裝瓦斯的空桶殘液問題，已有少數瓦

曾表示，一般桶裝瓦斯粗估每桶可退還 0.4~178 元（王玉樹，2010）；本研究 具備安全、有效的氣化殘留液態瓦斯之目的，對於消費者而言，可達到充分的 使用瓦斯而節省荷包；對於業者來說，可避免回收運送過程及存放瓦斯桶的危 險。 根據「中華民國液化石油氣容器安全協會」的統計顯示（于倩，2010）， 至民國 99 年 2 月為止，全台流通的瓦斯鋼瓶超過 1,455 萬支，其中超過 20 年 的瓦斯鋼瓶將近 850 萬支、近 6 成。消基會鄭重呼籲政府正視安全問題，盡速 訂定使用期限；同時也籲請民眾在使用時，應加裝一氧化碳偵測器，避免鋼瓶 的品質不良，一旦漏氣就有可能引發意外。 消基會曾表示，老舊鋼瓶容易產生漏氣、瓶身破裂等問題，由於當時法規 並未訂定鋼瓶的使用年限，而大陸地區早已規定鋼瓶年限為 8 年；日本則是拉 高檢驗費，讓業者自動淘汰 20 年以上的老舊鋼瓶。根據「中華民國液化石油氣 容器安全協會」民國 99 年 1 月份的檢驗統計顯示，檢驗後只有 33%的容器閥汰 換，有近 67%的容器閥繼續使用，一旦漏氣可能引發氣爆，安全堪慮。消防署曾 說，每次檢驗鋼瓶都要換新開關閥，卻遲未訂定規範，呼籲加速制定規範。 為消除社會大眾對桶裝瓦斯安全的顧慮，立法院經濟委員會於民國 99 年通 過附帶決議（陳曉宜、林嘉琪、王述宏，2010），要求消防署訂定計畫於 2 年 內完成 30 年以上、共 194 萬支瓦斯鋼瓶汰換。消基會董事長謝天仁事後曾表示， 台灣優先汰換 30 年以上鋼瓶的決策雖已有進步，但與先進國家相比仍然落後許 多。瓦斯桶的定期檢驗期限分為好幾種，10 年內的瓦斯桶每 5 年檢查一次，50 kg

瓦斯桶 10 年內每 4 年檢驗一次，10~20 年瓶齡的瓦斯桶每三年檢驗一次，50 kg 每兩年檢驗一次，20 年以上的瓦斯桶每年檢查一次，但 94 年以後出廠的瓦斯桶， 20~30 年以上的瓦斯桶每兩年檢查一次，30 年以上的瓦斯桶每年檢驗一次，而 且瓦斯驗瓶場的檢驗不合格率高達 20%以上。換言之，每檢驗 100 支瓦斯桶約有 20 支瓦斯桶會不合格而慘遭壓毀，所以只要經過 5 年，大約 20 年以上的瓦斯桶 都會遭到壓毀，對瓦斯行來說卻是一筆很大的負擔。另外，消防署規定從民國 99 年 7 月 1 日起，不管瓦斯開關正常與否，所有檢驗桶一律必須換新，所以瓦 斯行必須負擔瓦斯開關費用，一只瓦斯開關約 130~140 元，所以說檢驗一支瓦 斯桶檢驗費加上瓦斯開關費用，以 20 kg為例，總計檢驗費用約 300 元左右。 由於液化石油氣具易燃、易爆之特性，且因其普遍做為一般家庭燃料使用， 故其安全管理至為重要。目前有關液化石油氣之安全管理權責分工如下： 一、高壓氣體之設施與作業安全由行政院勞委會依權責加以規範並檢查。 二、行政院核定實施之「維護公共安全方案－瓦斯管理部分」之分工： „ 分銷商安全檢查（含儲放量及逾期鋼瓶之查察）：內政部消防署主辦。 „ 分裝場安全檢查：勞委會與內政部（消防安全）主辦。 „ 驗瓶場督導考核：經濟部檢驗局主辦。 三、行政院於 86 年 5 月核定，內政部為家庭用鋼瓶裝液化石油氣之安全管理權 責機關，內政部並已依消防法第 15 條第 2 項訂定「公共危險物品及可燃性 高壓氣體設置標準暨安全管理辦法」，將液化石油氣之儲存、處理及搬運

消防署自 94 年 3 月 1 日起辦理瓦斯鋼瓶之出廠認可工作（消防署，2012）， 針對鋼瓶材質規範於「液化石油氣容器認可基準」【附錄 4】，採用嚴密之「分 析設計」，除要求鋼材並對鋼瓶進行應力分析(Stress analysis)和疲勞分析 (Failure analysis)，規範材料之容許應力(Allowable stress)及實施耐壓試 驗，並採逐批檢驗方式，合格後始得填裝液化石油氣，另外針對使用中的鋼瓶， 則要求必須定期檢驗，如檢驗通過方可繼續使用，以確保大眾使用鋼瓶時，不 致發生漏氣等危害安全之情事。 為了督核瓦斯行依規定送驗鋼瓶，消防署主動掌握各瓦斯行容器檢驗量， 由消防局針對送驗量偏低的瓦斯行，主動瞭解原因並編排巡邏查察取締勤務加 強查察，以避免瓦斯行違規使用逾期容器。同時消防署並組成「危險物品管理 專案查核小組」，以全國巡迴方式不定時抽查液化石油氣相關場所，如查獲違 規者，即交由該轄消防機關依「消防法」處以新臺幣 2~10 萬元之罰鍰。

第 2.4 節 瓦斯桶的熱傳遞

本研究矽膠電熱片圍繞在將瓦斯桶身，再以電能輸入經矽膠電熱片轉換成 熱能；熱(Heat)經由瓦斯桶之鋼質桶壁導入桶內，瓦斯在溫度提高的情況下壓 力會增加，將是解決桶裝瓦斯殘液問題的一種方法熱傳遞(Heat transfer)的方 式有「傳導」(Conduction)、「對流」(Convection)及「輻射」(Radiation) （Incropera & DeWitt, 2002），在不同的環境中會有不同的傳熱模式。考慮 對一系統(System)採用能量守恆(Energy conservation)，在本研究中系統係指 瓦斯桶；假設能量進、出系統的控制表面(Control surface) CS 的速率分別使

用符號 與 表示，同時在控制容積(Control volume) CV 內的能量產生

(Energy generation)與能量儲存(Energy storage)分別採用符號 與 表 示。為簡化分析的數學模式，在此做下列的假設(Assumptions)：

in

E& E&_out

g E& E&_st „ 瓦斯桶為一個直徑 D、高度 H 的圓柱體。 „ 任意時間桶內瓦斯的溫度為均勻(Uniform)。 „ 桶內瓦斯的物理性質(Physical property)為定值。 綜上所述，對於本研究所探討的問題，如圖 2.2 所示，能量守恆的一般形 式可表示成下列方程式： in

E& + E&_g － E&_out = E&_st (2.8)

g E& = I ° V (2.9) 能量移出系統的控制表面 係因瓦斯桶身的對流所致，利用數學式描述 可表示成： out E& out E& = h ( π D H ) (T_s － T_a) (2.10) 式中 h 表示對流熱傳遞係數(Convective heat transfer coefficient)、D 與 H

分別表示瓦斯桶身的直徑與高度、T_s與 T_a則代表瓦斯桶身與外界環境的溫度。 能量儲存 主要是反映在瓦斯桶內的溫度變化率，利用數學式描述可表示 成： st E& st E& =

_dt

d

(

ρ

c

υ

T

)

(2.11)

式中ρ表示桶內瓦斯的密度(Density)、c 表示瓦斯的比熱(Specific heat)、υ 代表瓦斯桶的體積(Volume)，由於先前假設瓦斯桶為一個直徑 D、高度 H 的圓柱 體，故 υ =

π

D

₄

2 ° H (2.12) 將能量產生 的定義，(2.9)式、能量移出系統的控制表面 的定義， (2.10)式、以及能量儲存 的定義，(2.11)式，共同代入能量守恆方程式(2.8) 中，結果變成 g

E& E&_out

st

I V － h ( π D H ) (T_s － T_a) = ρ c υ

dT

_dt

或可進一步的簡化成

dt

dT

=

[

]

H

D

ρ

c

π

)

T

-hDH(T

π

-IV

4

2 s a (2.13) 從上列方程式可看出，桶內瓦斯溫度隨加熱時間的變化率；當溫度達到穩定狀 態(Steady-state condition)時，數學上的定義為 dT/dt=0，因此上列方程式可 更進一步的簡化成： I V = h ( π D H ) (T_s － T_a) 意即 T_s = T_a + hDH π IV (2.14) 直徑(D)與高度(H)可直接由瓦斯桶電流(I)與電壓(V)可藉由電源供應器(Power supplier)直接輸入而得，隨著輸入加熱帶的功率產生變化的瓦斯桶身溫度(T_s) 與外界環境溫度(T_a)可利用溫度計測量而得；至於對流熱傳遞係數(h)將透過上 述數據代入(2.14)式求出，並與查表所得之值做一對照比較。

第三章 研究方法

第 3.1 節 問題的剖析

傳統瓦斯高壓鋼瓶之瓦斯燃用，容易受外界溫度、海拔高度及持續或間斷 燃燒時間長短…等影響瓦斯流量大小之穩定，相對的也比較可能存在瓦斯的殘 液問題。在氧氣供應正常的狀況下，瓦斯火焰的外焰呈紫藍色（溫度較高，約 2500 ℃）、內焰則呈淡青色，燃燒處於穩定狀態。當氧氣供應不足時（空氣中 氧 氣 含 量 降 低 至 18% ～ 19% ） ， 瓦 斯 火 焰 頂 端 呈 微 紅 色 ， 形 成 不 完 全 燃 燒 (Incomplete combustion)而產生一氧化碳；一氧化碳為無色、無味，對眼、鼻 及皮膚無任何刺激的可燃性有毒氣體。當火焰呈現跳動情形表示氧氣過多，會 產生撥撥聲而很容易被吹熄。 解決桶裝瓦斯的殘液問題，唯一方法就是將鋼桶內比重較高的液化石油 氣＂逼出＂瓦斯接頭，現行最簡便的方法，就是將瓦斯桶橫躺放置；另一種較 為簡便的方法，則是將瓦斯桶放入盛裝熱水盆。由於瓦斯鋼桶的耐壓試驗只到 30 kg/cm2，而瓦斯桶外觀若有碰撞導致的痕跡，當深度達 0.8 mm 以上者，或長 度大於 75 mm 時，會有安全疑慮。因此任何不安全的＂逼氣＂方法，對於桶裝 瓦斯都會存在安全的虞慮。 解決桶裝瓦斯的殘氣問題，最佳方法就是將鋼桶內的液化石油氣壓力加 大、溫度增高。近年來，有關改良桶裝瓦斯的技術以專利為多，例如本國公告 的「液態瓦斯桶氣化促進帶」（謝瑩新，2008）為一種液態瓦斯桶氣化促進帶，

在帶體內部置設以串連有溫控開關之發熱線，帶體可圍繞於瓦斯桶圓周底側固 定位，在瓦斯桶殘留的液態瓦斯量較少時，可啓動氣化促進帶內部發熱線，以 對瓦斯桶圓周底側進行加熱來提高液態瓦斯的氣化效果，達到點燃及有效利用 殘留液態瓦斯之目的。「桶裝瓦斯完全揮發器結構」(魏進上，2011)為一種桶 裝瓦斯完全揮發器結構，主要係設有電熱元件的帶體，於帶體的兩端分別設有 勾持部及扣合部，並於該帶體的內緣中央位置設有，使電熱元件連接於設有開 關及保險絲，於背緣設有磁鐵之控制盒，以構成一桶裝瓦斯完全揮發器。帶體 圈繞於瓦斯桶的下方，藉由勾持部及扣合部將帶體緊束，再將控制盒吸附於瓦 斯桶表面，藉由控制盒之開關的開啟使電熱元件導電加熱，進而使瓦斯桶內之 瓦斯得以完全揮發而免除瓦斯之殘留，達到節省能源及環保之目的。 在更早以前，改良桶裝瓦斯的專利包括有：「安全燃油的供氣結構」（文 矎曉，2004）主要係在可裝填燃油的桶外設有進氣幫浦(Pump)，桶內則配合設 有進氣管與壓力室，該進氣管被壓力室包覆著，該壓力室留有排氣孔隙，該加 溫器採用間接或直接恒溫加溫桶內的燃油形成油氣，另由導氣座、出氣開關及 出氣管接至爐具使用；進氣管設有逆止閥(Check vavle)防止燃油回流，該加油 蓋設有洩壓孔可舒緩開啟之壓力；油錶為透明膠管，火災時高溫容易溶解，迅 速將油氣釋出；導氣座設有氣壓開關、洩壓閥(Release pressure valve)，可 視壓力大小控制進氣裝置之啟閉動作，使桶子內部的壓力恒定；洩壓閥係在火 災高溫及氣壓開關故障，造成桶子內部壓力增加時，可排出壓力避免氣爆。「桶

材質，以熱絕緣材質封固；下方容室內具一電源供應單元，另該電源供應單元 可為直流電池、充電電池等直接導入電源；該特殊發熱絲材質具有比一般鎢絲 (Tungsten filament)壽命長 20 倍、耗電量減 97%，與可保持恆溫、不發紅不易 氧化燃燒之特性，將可大幅提升瓦斯燃燒效率與有效的節省能源。「桶裝瓦斯 防凍裝置」（簡傳祥，2006）係於桶底加裝一條金屬軟管，該金屬軟管進口與 熱水器出水口相連結；金屬軟管出口再與熱水管進口作連結，利用熱水使瓦斯 桶之桶身溫度提高，以防止瓦斯沉澱於桶底。 本研究所提出的創新方法，將是直接使用太陽能(Solar energy)，或回收 瓦斯燃燒之廢能(Waste energy)，用以轉換成電能提供給一產生熱能之帶狀加 熱單元。該加熱單元使用安全性極高的矽膠電熱片(Silicon rubber thermofoil) 產生熱量，運用控制元件使桶內壓力與加熱達到平衡關係。「運用於桶裝瓦斯 殘液之揮發裝置」與前述幾種方法的性能評估比較，如圖 3.1 所示，其中 VD-2011 即為本研究所擬定採行的方式。我們相信從使用方式、能源種類、安全性、便 利性、技術性及效率等多面向的評估下，本作品將可使桶裝瓦斯的殘液有效、 安全的揮發，具有極佳的競爭力。 在規劃本研究之前，我們已獲得「桶裝瓦斯殘液揮發裝置」（杜鳳棋、林 正元，2011）的中華民國新型專利，係一種桶裝瓦斯殘氣揮發裝置，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一磁鐵，透過磁鐵吸力可 使帶體緊束固定。帶體的內側設有一電熱元件，使用一撓性導線連接於一控制 盒；控制盒設有壓力感測元件，可用以監測瓦斯桶內壓力。當桶內之瓦斯使用

到低於某一程度時，壓力降會降低至某一值，藉由控制盒之開關的開啟使電熱 元件導電加熱，進而使瓦斯桶內增壓，促使瓦斯殘氣得以完全揮發使用，以免 除瓦斯殘留於桶內。 已核准之專利內容是利用太陽能轉換成電能，具備自我供應電力的優勢， 符合節能的創新思維。專利標的充分運用熱傳遞基本原理，採用矽膠電熱片或 矽膠薄加熱片將電能轉換成熱能，用以將瓦斯桶內的殘液完全用盡，滿足環保 的創意構思。

第 3.2 節 解決的方案

由於 LPG 在氣化時會吸熱而使溫度降低，這就是為什麼當使用瓦斯時，瓦 斯桶會變成冰冰的緣故。而當溫度變低時，LPG 的蒸氣壓(Vapor pressure)也會 低，氣化的速度就會變慢；當氣化的速度趕不上使用的速度時，火自然就會變 小，因為沒有足夠的丙烷氣體可以燃燒。在一般的情況下，氣溫夠高即可迅速 的把熱傳遞到瓦斯桶內，使蒸氣壓維持在夠用的範圍內。

依據傅立葉定律(Fourier＇s law)（Incropera & DeWitt, 2002）可將傳導熱 通量表示成 r d dT k -q_cond′′ = (3.1)

其中 (W/m2)表示在徑向的傳導熱通量(Conductive heat flux)，k（W/m K） 為瓦斯桶身的熱傳導係數(thermal conductivity)，dT/dr（K/m）表示 cond q′′ 溫度梯 度(temperature gradient)，方程式中的負號表示熱必須由高溫傳至低溫。當 冬季或寒流來襲時，瓦斯桶溫度跟外界的溫差(Temperature difference) △T 變小，熱通量也就相對的變小，使得瓦斯桶的溫度降得太低，氣化速度就會跟 不上使用速度。在這種情形下，把瓦斯桶泡在溫水中就可解決瓦斯壓力不足的 問題，不需要太熱的水，溫水即可。如果在平常使用時，瓦斯桶內的壓力都足 夠，所以並不建議在寒流來襲時特別去調整調節器，一來效果可能不明顯，主 要原因是氣化速度來不及，當桶內壓力低於調節器的輸出壓力時，調整調節器 並不會影響氣化速度；二來也不需在氣溫回升時再調整一次調節器。

為有效解決桶裝瓦斯的殘液問題，本研究在瓦斯桶殘留的液態瓦斯量較少 時，可經啓動加熱元件，以對瓦斯桶圓周下方進行加熱，提高液態瓦斯的氣化 效果。本研究其中一種方法係利用太陽能轉換為電源，用以加熱的桶裝瓦斯殘 液揮發裝置，如圖 3.2 所示；另一種方法則是利用瓦斯爐燃燒之廢能回收轉換 為電源，用以加熱的桶裝瓦斯殘液揮發裝置，如圖 3.3 所示。圖 3.2 為戶外型 之能源轉換設計，方法係在陽光可照射區域擺置晶矽太陽能電池(Crystalline silicon solar cells)，利用太陽能轉換為電能之供電方式，提供加熱元件所 需之電能。圖 3.3 屬於戶內型之能源轉換設計，方法係在瓦斯爐火旁安置集熱 銅管，利用燃燒火燄之廢能，透過史特林引擎(Stirling engine)（Wikipedia, 2012）轉換為電能之供電方式，提供加熱元件所需之電能。 本研究所提出之桶裝瓦斯殘液揮發裝置，核心部分的組合單元圖，如圖 3.4 所示，主要包含有帶體單元(#1)、電熱單元(#2)、桶壓測量單元(#3)及控制單 元(#4)等四部分。圖 3.5 為本研究的元件立體圖，主要的元件如表 3.1 所列； 其中帶體單元(#1)的主體是利用一帶狀防水帆布之帶體(#11)，在二端分別設有 N 極(#12)與 S 極(#13)之磁鐵，其中 N 極固定在帶體一端內側，S 極則固定在帶 體另一端外側；帶體可圍繞於瓦斯桶圓周下方予以緊束固定。電熱單元(#2)主 要是在帶體內部設有串連於溫控開關之加熱元件(#21)，加熱元件採用一矩形之 矽膠加熱薄片；撓性薄片狀之加熱元件可緊貼縫合在帶體上。加熱元件係利用 撓性導線(#22)串接經控制單元(#4)，再採用撓性導線(#23)連結電源插頭

表 3.1 桶裝瓦斯殘液揮發裝置的主要元件表 單元 元件 11 帶體 帶狀防水帆布 12 N 極磁鐵 1 帶體單元 13 S 極磁鐵 21 加熱元件 22 撓性導線 電線 23 撓性導線 電線 2 電熱單元 24 電源插頭 31 壓力計 3 桶壓測量單元 32 壓力訊號傳輸線 41 控制盒 42 溫控開關 4 控制單元 43 壓力訊號處理元件 圖 3.6 為本研究的控制元件方塊圖，其中桶壓測量單元(#3)是在俗稱瓦斯 接頭的瓦斯桶調整器上，安裝一個壓力計(#31)，透過一壓力訊號傳輸線(#32) 而可將桶內壓力反應到控制單元(#4)。當瓦斯桶殘留的液態瓦斯量較少時，經 由壓力計監測到桶內壓力低於一設定值，控制盒(#41)內的壓力訊號處理元件 (#43)將會透過溫控開關(#42)自動啓動加熱元件，以對瓦斯桶進行加熱，提高 液態瓦斯的氣化效果；在控制盒內的溫控開關具有短路過載功能，當加熱元件 之溫度高達一設定值，控制盒的溫控開關將會主動關閉加熱電源，以防止桶內 加熱後溫度過高。

第 3.3 節 可行性分析與效益評估

任何一項創新研發，可行性分析(Feasibility analysis)是不可或缺的一 個過程。可行性分析係在評估技術層面的良窳與經濟效益方面的優劣，用以判 斷值不值得投入研發，其重點在於成本的效益評估(Benefit evaluation)。 由於液化丙烷及丁烷在氣化時會吸熱而使溫度降低，瓦斯桶身會變得冰 涼。當液化石油氣的溫度變低時，蒸氣壓也會降低，氣化的速度就會變慢。當 氣化的速度趕不上使用的速度時，因為沒有足夠的丙烷氣體可以燃燒，火自然 就會變小。一般情況下，只要瓦斯桶身的溫度夠高，即會迅速的將熱傳遞到桶 內（如 3.1 式所描述），使蒸氣壓維持在適當的範圍內。 桶裝瓦斯液態變氣態需吸收外界熱量，當瓦斯量剩約 3 kg 左右，若需供應 大耗量的燃燒器（如快速爐、熱水器），則氣態瓦斯量及壓力會呈現不足，以 致燃燒器的火力不旺，尤其瓦斯桶置放處溫度低於 15 ℃時更形嚴重。熱水器在 無旺火燃燒的情況下，會形成斷斷續續熄火的現象，致使燃燒不完全而產生一 氧化碳。 現今解決桶裝瓦斯殘液問題有幾種方式，若將瓦斯桶橫躺放置，液體與氣 體接觸面較大、較不安全，而且橫放桶身容易滾動，接觸面磨擦頻率增加，促 使液體氣化而壓力增大，影響桶裝瓦斯的安全性。若將瓦斯桶放在盛裝熱水的 臉盆或水桶，對於產生蒸氣壓效率沒重大的影響。若使用市售家用電源做為電 熱元件之能源，則安全性較為堪虞之外，使用性亦受到極大的限制。本作品在

瓦斯桶殘留的液態瓦斯量較少時，可經由啓動加熱元件，以對瓦斯桶圓周下方 進行加熱，提高液態瓦斯的氣化效果。 本研究創作的主要設計包含有帶體單元、電熱單元、桶壓測量單元及控制 單元等四部分，目前所完成的實驗組裝如圖 3.7~圖 3.10 所示；在圖 3.7~圖 3.9 為實驗的組裝照片，其中棕色部分即為第 3.2 節所述的電熱單元(#2)，主要是 在帶體內部設有串連於溫控開關之加熱元件(#21)，加熱元件採用一矩形之矽膠 加熱薄片（規格：24 V、120 W，120 mm× 600 mm）；薄片狀之加熱元件可緊貼 縫合在帶體上。此外，由於本創作尚處於研發階段，故原本設計利用帶狀防水 帆布之帶體(#11)尚未實施，僅先在二端分別依原設計裝設 N 極(#12)與 S 極(#13) 之磁鐵，以使帶體可圍繞於瓦斯桶圓周下方緊束固定。為使加熱元件之提升溫 度能反映在桶內壓力的增加，現階段的桶壓測量單元(#3)係採用三個機械式壓 力計測量，如圖 3.10 之照，其中左邊為內含指針緩衝油、測量範圍在 0~4 kg/cm2 之壓力計；中間為測量範圍在 0~10 kg/cm2之壓力計；右邊則是測量範圍在 0~76 cm Hg 之真空壓力計。三個機械式壓力計各設有閥，可依據不同的壓力範圍分別 使用，以便能精確的測量出桶內的壓力值。最後在此敘明，本論文係以桶內壓 力與溫度之關聯性為研究焦點，暫不考慮第 3.2 節所述控制單元(#4)之研發與 製作。 桶裝瓦斯在當在換裝回收時均留有殘液，通常在夏天桶裝瓦斯的殘液約剩 2%，冬天則可能高達 20%！這些殘液對於用戶造成的經濟損失，長期累積相當可

觀，因此本創作將可帶來有利的成本效益。根據先前所述，一般桶裝瓦斯粗估 每桶殘液價值為 0.4~178 元，所以商品化的價值確實相當高。 臺灣雖擁有全球相對低廉的瓦斯費，但臺灣也是高度仰賴進口能源的國 家，任何的能源運用其實應該要發揮得淋漓盡致，任何有關節能減碳之方法更 值得鼓勵與嘗試。本研究係以國科會計畫「運用於桶裝瓦斯殘氣之揮發裝置」 （NSC100-2622-E-233-002-CC3）所提出的策略與方向為藍本，並經國科會審議 獲得經費補助，針對可行性及計畫內容之相關研究方法進行探討。本研究創作 對於解決桶裝瓦斯的殘液問題，具有相當大的助益，對於商品化之市場潛力將 是樂觀且值得期待。

第四章 結果與討論

第 4.1 節 實驗說明

本研究係以實驗方法為主要實施方法，實驗裝置如圖 4.1 所示；有關瓦斯 的特性與瓦斯桶的規格，分別再摘要歸納於【附錄 5】與【附錄 6】。在本論文 之實驗中，實驗因子(Factor)主要有電源供應器的輸入電流 I_i (A)、輸入電壓 V_j (V)、瓦斯桶壓力 P_o (kg/cm2)、瓦斯桶溫度 T_o (℃)，其中輸入電流(I_i)與 輸入電壓(V_j)係為自行設定之自變數(Independent variables)因子，瓦斯桶壓 力(P_o)與瓦斯桶溫度(T_o)則是隨著 I_i與 V_j改變的因變數(Dependent variables) 因子。為了配合本實驗訂製矽膠加熱片的電性規格（24 V、120 W），實驗自變 數因子的設定值分別採用等差電壓輸入值，共執行 5 組實驗，利用電源供應器 將輸入電壓分別設定為 6 V、12 V、18 V、24 V 及 30 V；本論文的實驗步驟圖， 如圖 4.2 所示。 瓦斯桶壓力(P_o)與瓦斯桶溫度(T_o)的因子，除了實驗可控制的輸入電流(I_i) 與輸入電壓(V_j)之外，有一些無法控制的因子(Uncontrollable factors)，譬 如：周遭的環境溫度(T_a)、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，我們係將 5 kg 裝的桶裝瓦斯全部釋放完畢再進行實驗。本研 究實驗採用數位式溫度計與數位式壓力計，分別量取瓦斯桶身內外的溫度值與 桶內的壓力值。測量溫度係使用 4 根 K 型熱電偶線分別固設於瓦斯桶內外，如 圖 4.3 所示之位置，其中溫度採用熱電偶線 T1 固設在桶身與加熱帶間，用以量 度加熱帶的溫度值；T2 與 T3 分別利用金屬棒固定，並由桶身鑽一小洞（直徑ψ =2 mm）伸入瓦斯桶內，T2 與 T3 分別深入桶身 3 cm 與 17cm；T4 固設於離桶身 至少 30 cm 處，用以量取環境溫度(Ta)。數位式溫度計設定的取樣頻率(Sampling rate)為 1 次/秒。

第 4.2 節 加熱帶之加熱效果

本研究之實驗進行，首先測量並檢視加熱片的規格，而從電流(I)與電壓(V) 的關係圖（圖 4.4）可知，加熱片的電流(I)與電壓(V)係具有線性變化的關聯性， 意即導電體兩端的電壓與通過導電體的電流成正比，V/I=常數；若利用歐姆定 律(Ohm's law)可得加熱片的電阻(Electric resistance)為：

I

V

R

=

_(4.1)

其中比例常數R是電阻，單位為歐姆(Ω，Ohm)；經由實際的測量確認，本論文 所訂製加熱片的電阻為 10 Ω。圖 4.4 上方的另一曲線代表輸入加熱片的電功率 (Electric power) P_e；使用焦耳定律(Joule`s law)：

P_e = V．I (4.2) 式中 P_e的單位為瓦(W)。 在電阻性或線性負載時，可將歐姆定律代入(4.2)式：

R

V

R

I

P

2 2 e

=

⋅

=

(4.3) 經由實驗測量的電流與電壓值，透過焦耳定律所得到的電功率與理論值做 一比較，可得二者差異僅在±1.67%的範圍內。 再檢視圖 4.4，我們會發現電壓越大則輸入電功率相對的增加，然而在電壓 越大曲線的趨勢越陡峭，在 V=15.81 V，電功率即會高達 25 W。這對於我們未

來在選用替代能源時，將是很重要的一個參數；尤其是使用太陽能(Solar energy) 作為能源，必須考慮到太陽能電池的電功率問題。 根據實驗埋設的 4 點熱電偶線進行 5 組加熱實驗，我們量測到持續加熱的 溫度變化情況，很顯然的是輸入電壓越大，意味加熱帶的輸入電功率就越大， 溫度上升將會越高且越快。從圖 4.5 可看到在輸入電壓為 6 V 狀況下的加熱效 果，結果我們發現加熱帶需耗時 1018 s，溫度才勉強提升至 30.9 ℃，上升僅 僅只有 3.5 ℃。加熱帶產生的熱由桶身進入桶內，由於鋼製桶身會吸收部分熱 量，另外部份熱量會因熱對流散逸致外界，因此實際進入桶內的熱量已大幅減 少，因此在深入桶內 3 cm 與 17 cm 處的最高溫度分別只有 28.6 ℃與 28.1 ℃， 上升溫度分別只有 1.3 ℃與 1.0 ℃，耗費時間卻須分別拖長到 1171 s 與 1083 s。 倘若我們再將輸入電壓提升到設定值 12 V、18 V、24 V 及 30 V，各不同輸 出功率之加熱效果如圖 4.6～圖 4.9 所示，從各圖可清楚的看見，輸出功率越大 則溫度上升將會越高且越快。在加熱效果圖（圖 4.5～圖 4.9）中，每一條曲線 係代表每一條熱電偶的測量溫度變化值，雖然我們在圖 4.2 的實驗步驟中，定 義溫度變化ΔT/T＜1%是為穩態(Steady state)，然而數位式溫度計的取樣頻率 極為迅速又非常敏感，所以對於是否達到穩定狀態的判斷，我們係以加熱效果 圖中的測量溫度曲線是否呈現水平狀態為依據。從各加熱效果圖中的加熱帶溫 度曲線(T1)變化得知，輸入電壓設定值為 6 V 與 12 V 等二實驗例，加熱時間分 別在 597 s 與 1025 s，加熱溫度會達到穩定狀態；其餘三例（輸入電壓為 18 V、

24V 及 30 V），即使加熱時間達到 1200 s 仍處於暫態(Transition)，意味著溫 度仍然持續在增加。 為更進一步揭示輸出功率與加熱效果之關聯性，各種輸入電壓狀況下所量 測到的關鍵數據，如表 4.1 所列。 表 4.1 加熱帶之加熱效果(t=1200 s) 電壓 （V） 加熱帶溫度 T1（℃） 桶內溫度 T2（℃） 桶內溫度 T3（℃） 環境溫度 T4（℃） 6 30.9 28.6 28.1 25.9 12 41.3 31.9 30.6 25.1 18 58.4 39.3 36.4 24.6 24 79.2 47.1 43.0 23.9 30 104.2 59.3 53.2 25.4 藉由表 4.1 的數據，我們將進一步的探討加熱帶與瓦斯桶內的熱傳遞情形。 從 4.1 的T4 熱電偶測量溫度值可知，由於在各實驗例的環境溫度(Ta)條件並不 一致，因此我們採用相對溫度(Relative temperature)

_T

作為降低環境溫度不 一致性的處理。在此定義相對溫度為： a a

T

T

T

T

=

−

經由轉換後的相對溫度，圖 4.10 所示即為加熱效果對於相對溫度之影響， 圖中 3 條曲線分別代表加熱帶溫度(T1)、伸入桶內 3 cm 溫度(T2)及伸入桶內 17 cm 溫度(T3)。從加熱帶溫度(T1)的曲線斜率可看出，溫度雖然隨著輸入電壓增 大而增加，然而在輸入電壓為 12 V 形成一個轉折點，當 V＜12 V，相對溫度之 斜率為 0.067 V-1；當 V≧12 V，相對溫度之斜率為 0.139 V-1，相對溫度之斜率

大於前半段高達 51.8%。接著觀察在桶內的溫度(T2 與 T3) 曲線變化可知，桶內 溫度依然隨著輸入電壓增大而增加，但相對溫度之斜率相較於加熱帶溫度(T1) 已大幅降低，其中 T2 之斜率分別為 0.0333 V-1（V＜12 V）與 0.0556 V-1（V ≧12 V）；T3 之斜率則分別為 0.0167 V-1（V＜12 V）與 0.050 V-1（V≧12 V）。 綜上所述，欲使瓦斯桶內的溫度提升，以 5 kg 瓦斯桶為例，輸入電壓宜採用 12 V 以上，藉以提升加熱效果。

第 4.3 節 瓦斯桶內壓力推估

本研究係採用 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，若以方程式描述可寫成：

T

R

P

=

ρ

_o (4.4) 式中 P 為絕對壓力（錶壓力+101.3 kPa），ρ為密度，R_o 為氣體常數(Gas constant)，T 為絕對溫度（℃+273 K）；對於標準空氣而言，R_o=0.2869 kJ/kg.K。 透過(4.4)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； 運用圖 2.1，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。 在本研究的實驗中，當加熱帶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)之形式傳遞至 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。 此種自然對流(Natural convection)的效應，造成桶內的溫度並不一致；從加 熱效果圖（圖 4.5～圖 4.9）顯而易見，位於桶內上方熱電偶 T2（伸入桶內 3 cm） 的溫度，均較桶內下方熱電偶 T3 (伸入桶內 17 cm)的溫度高。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 T_m作為 壓力推估基準，意即：

2

3

T

2

T

T

_m

=

+

在本節我們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。當加熱帶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 加熱效果的實驗（圖 4.5～圖 4.9），我們直接引用在各種輸入電功率的狀態下， 溫度隨時間的提升而透過(4.4)式計算瓦斯桶內的空氣壓力變化，其中空氣密度 假設為固定值（ρ_＠25℃=1.184 kg/m3），計算結果如圖 4.11 所示。在圖 4.11 中，縱座標為錶壓力(P_g)值，單位採用 kg/cm2；橫坐標為加熱時間，單位使用 秒(s)。從圖中的曲線分布可看出，在輸入電功率(P_e)較低的情況下，錶壓力(P_g) 隨時間的增加係呈線性趨勢，即使加熱時間歷經 1200 s，在電功率為 3.6 W 與 14.4 W 的實驗例中，錶壓力增加僅分別為原先桶內壓力的 1.57 與 3.46 倍。然 而在 P_e＞14.4 W 的狀態下，加熱時間同樣在歷經 1200 s 時，桶內壓力的增幅大 為提升；在電功率分別 32.4 W、57.6 W 及 90 W 等實驗例中，最後的錶壓力增 加分別達到原先桶內壓力 6.24、10.99 及 16.18 倍。 再從圖 4.11 可觀察到，在 P_e＞14.4 W 的狀態下，錶壓力隨時間的的增加即 會出現曲線遞增，在加熱時間進行約 420 s 左右，通常會出現曲線斜率最大值。 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【附錄 4】，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，曲線斜率才會出現最大值。 接著，我們再來探討加熱帶若實際運用在家用瓦斯桶的壓力變化情形。再 從先前加熱效果的實驗（圖 4.5～圖 4.9），我們直接對應到圖 2.1 求得丙烷與 丁烷混合之蒸氣壓力，換算結果如圖 4.12 所示。在圖 4.12 中，縱座標表示錶 壓力(P_g)值，單位採用 kg/cm2；橫坐標代表加熱時間，單位使用秒(s)。從圖中

仍類似圖 4.11 而係呈線性，同樣加熱時間歷經 1200 s，輸入電功率為 3.6 W 與 14.4 W 的實驗例中，錶壓力增加僅分別為原先桶內壓力的 1.03 與 1.15 倍，增 加幅度僅分別達到 2.79%與 14.55%。然而在 P_e＞14.4 W 的狀態下，加熱時間同 樣在歷經 1200 s 時，桶內壓力的增幅大為提升；在電功率分別 32.4 W、57.6 W 及 90 W 等實驗例中，最後的錶壓力增加分別達到原先桶內壓力 1.35、1.72 及 2.15 倍，增加幅度僅分別高達 35.09%、71.59%及 115.31%。由此可見，輸入電 功率對於桶內壓力的提升影響相當重要，然而在考慮未來使用到太陽能做為替 代能源的前提下，建議採用電功率為 15～25 W 的太陽能電池將是一個很不錯的 選項。 最後，我們將注意到圖 4.11 與圖 4.12 的縱座標，雖然都是表示錶壓力(P_g)， 而且單位都是採用 kg/cm2，但兩者的數值相差將近 200 倍。在同樣承受相同的 桶身溫度變化情況下，瓦斯（50%丙烷＋50%丁烷）隨溫度變化的敏感度顯然比 空氣高出許多，這也意味本研究研發的加熱帶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。