酒精爐 - 戶外用品

最近莫名迷上酒精爐這個小玩意
明明本身是很少出門爬山的阿肥
卻買了一堆酒精爐,也自己做了不少
趁過年放假分享一下

以下各項心得

1.酒精爐的作用原理
2.酒精爐的燃料(乙醇/甲醇)
3.酒精爐的功率/燃料使用效率
4.市面上酒精爐的測試/簡評

*此文中的酒精一詞泛指乙醇以及甲醇
*討論兩者差異時會特別稱呼 乙醇/甲醇

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1.酒精爐的作用原理
與瓦斯及大多數燃料相同,酒精透過與氧氣結合燃燒,產生熱量
瓦斯在常溫常壓下為氣體,被高壓壓縮成液體進了氣罐
一經釋放就變回氣體,於爐頭內和空氣混和,最後在焰盤上放出火焰

酒精在常溫常壓下為液體,雖方便攜帶,難以和空氣混和
所以液體酒精燃燒的效率並不高,好在酒精的沸點也不高,容易氣化
氣化後的酒精就容易與空氣混和,大大增加燃燒效率

因此,大多數的酒精爐在完成啟動後
爐內的酒精會處於沸騰狀態並且不斷氣化
所以全力運作的酒精爐是很燙的,使用上必須非常小心 (註1)

也因為需要液態酒精沸騰才能運作的這個特性
如果強制把運行中的酒精爐塞進水裡降溫
火焰會瞬間大幅變弱,失去功能(但通常不會熄滅)
故在寒冷環境使用時,務必記得避免酒精爐與地面接觸,損失熱量

由於酒精氣體是煮沸後飄出再混和空氣
和瓦斯爐(製造時加壓到氣罐)或是汽化爐(後天幫浦加壓)相比
氣流的壓力和速度都比較低,因此容易受到風的影響,故需要使用擋風板
(請想像燒開水的水蒸氣被風吹走的樣子)
加上酒精本身的熱值比瓦斯以及白汽油低
一般來說酒精爐的功率僅有戶外瓦斯爐的1/3 - 1/2 (註2)

總結一般酒精爐的原理為:
加熱液體酒精到沸騰->使其變為氣體->酒精氣體與空氣混和燃燒
任何的酒精爐設計都是為了有效的達到上述事項
以後看到任何的酒精爐,可以想想這些步驟會在哪裡發生
以及這個酒精爐在使用上可能會遇到的問題

延伸閱讀-酒精爐的種類(英文)http://zenstoves.net/Stoves.htm#Types

註1:
從點燃液態酒精,到酒精沸騰全力運作的這段時間
被稱為 啟動時間/預熱時間/Blooming time
啟動時間會因為酒精爐的設計/燃料/使用環境/而有所變化
一般來說啟動時間越短越好

註2:目前有部分酒精爐使用汽化爐設計,以幫浦對燃料罐加壓
經預熱管與噴嘴放出高壓的火焰,這部分我沒有使用經驗
但或許將其歸為使用酒精作為燃料的汽化爐較為適合


2.酒精爐的燃料(乙醇/甲醇)
再來談酒精爐的燃料們
國外有些特殊的類酒精燃料有更加的燃燒效率,但是不易取得,不討論

台灣容易取的的則為(95%乙醇 / 99%甲醇),網路通路皆有販售
95%乙醇的價格為4公升400-450元,約每公升100元
99%甲醇的價格為5公升250-300元,約每公升50元
甲醇的售價僅為乙醇的一半
乙醇熱值29.7KJ/g
甲醇熱值22.7KJ/g
乙醇的熱值是甲醇的1.3倍
所以純粹考慮價格與釋放的熱量,甲醇較為划算
惟甲醇為有毒物質,食用會導致失明甚至死亡,不可不慎
攜帶酒精燃料,要注意容器材質,HDPE / PP 有較佳的抗酸蝕表現
一般PET寶特瓶,僅適合短期使用,隨時小心滲漏

甲醇燃燒時,火焰呈淡藍色,燈光下不易觀察,必須非常小心

乙醇燃燒火焰較猛,並呈現黃色,可能是因為其炭數比甲醇高
在沒有充足氧氣供給下,不易一次完全燃燒
剩下懸浮在空中的炭,在飄升時終於獲得氧氣燃燒,放出黃色的火焰
因此使用乙醇會容易發生黑鍋
即是高溫懸浮碳粒在成功氧和之前,就撞到較冷的鍋體
溫度下降無法再被燃燒,從此留在鍋上
所以黑鍋除了是惱人的事情,也是燃燒不完全的證據

整體來說,個人認為甲醇比乙醇更適合當作燃料(註3)


註3:
卡式瓦斯220g,三罐100元,丁烷熱值49.3KJ/g
比乙醇划算,略遜於甲醇,但方便性和酒精爐是不同次元@_@
這也是酒精爐很少人使用的的原因之一

另外,如果要購買甲醇,不推薦一般五金行賣的粉紅色甲醇
純度較低,且燃燒後會殘留紅色染料


3.酒精爐的功率/燃料使用效率
任何的爐具,我們都會希望快速又節能
以燒水為例,就是在最短的時間,用最少的燃料,燒開最多的水
比如說一分鐘內,消耗7g丁烷瓦斯,把1公升,20'C的水燒開之類的.....(註4)

像酒精爐這種以燒水為主要任務的爐具,燒水時間/燃料消耗就更顯重要
最常見的測試方式,就是使用 500ml水/ 30ml酒精(註5)
點火後觀測水沸騰時間和燃料用盡時間,得出爐具的功率與效率

舉例:(為簡化甲醇純度為99.x%,此處作100%, 甲醇密度0.782,此處作0.8)
使用30ml甲醇,用了6分鐘將500ml水由20'C 加熱燒開
有效總燃燒時間10分鐘
先算燃料消耗功率=>30ml/10min => 3ml/min => 2.4g/min
=> 54.48KJ/min = 908W
再算水的溫度提升
=>500g x(100'C-20'C)/6min => 500x80x4.18J /6min
=> 27.87KJ/min = 464W
這一組爐具與鍋具的系統,燃料使用效率就是464/908 = 51%
而51%已經是相當優秀的數字了

當然測試時除了爐具本身,其他條件的影響不容忽視(註6)

如果不想看一堆計算,經驗上來說
在室內無風環境,水溫20-25'C的理想環境之下
酒精爐使用甲醇,常見的燃燒效率應該在40-50%
燒開500ml水的時間約是06:00-07:00之間
總燃燒時間約是10:00-12:00之間

而使用乙醇,通常可以獲得更大的功率,以及更長的燃燒時間
但細算燃料使用效率,通常不如甲醇(無法得到熱值1.3倍的全部效果)
原因即是乙醇較難完全燃燒(而且會黑鍋.....)

簡單記憶點 =>用95%乙醇15ml(12g)燒開室溫500ml的水
幾乎是酒精爐的極限了(不使用集熱鍋的話)

如果看到任何測試影片/廣告的內容離這個數字太遠
例如10ml(8g)酒精燒開500ml,20'C的水(70%的燃料效率),先保持一點懷疑
看看他的整組系統設計是否合理,測量方法是否可靠(然後再跳坑?)

戶外使用的部分,我的經驗不多(主要是懶得出門)
而戶外的環境無法控制,也無法準確量化比較
參考網路資料,即使用擋風板,仍只有室內5-7成的效率
意即要使用1.5-2倍的燃料與時間才能達成一樣的效果


註4:
近似於於5600W與97%的能量傳遞效率
大概水滾了鍋子還得是冷的才行...

註5:
歐美也常用 2 cups of water (475ml) / 1oz fuel (28.4ml)
日本人比較搞怪,會用400ml水/20ml酒精之類的....

註6:
包含 地點/風速/擋風板/鍋具大小/鍋具材質/蓋子/
水溫/氣溫/爐架型式/燃料種類.....等需控制的變因
另外測量方式也必須精準,例如燒開水是用眼睛看還是用溫度計量
填裝水和酒精時是用量杯還是秤重
燃燒時長是計算有效火焰還是殘火也算..等操作細節


4.市面上酒精爐的測試/簡評

a.黃銅酒精爐

最有名氣的是瑞典Trangia Spirit Burner
酒精爐的經典,台灣價格約700元
這一類酒精爐的結構,就是在爐壁夾層(也稱“副室”)放置防火玻璃纖維
或是任何可吸收酒精的填充物,讓被吸收的酒精高於中央的液面
液面點燃後,火焰加熱夾層裡的酒精,使其氣化後由從氣孔飄出
飄出的酒精遇到明火又被點燃,形成向上的強烈火焰

根據網路資料,Trangia酒精爐啟動時間約40秒
根據使用的支架不同,燒開500ml水時間會大不相同
從小於6分鐘到超過12分鐘都有,30ml酒精燃燒時長也不同,相關影片很多
不同支架造成的影響：https://youtu.be/O0-xQNgoTe8

而我買的則是最常見的仿製品
購入：蝦皮230元
重量：152g (收納袋+爐+支架)
爐體62.5g
密封蓋(有o ring)20g
滅火蓋(可調火力)24g
支架37g

使用所付的支架燒水測試
啟動時間：60-90秒(1:30上鍋)
500ml水燒開：14:30
30ml甲醇燃燒結束：21:30

扣除預熱的90秒,500ml水燒開的時間是13分鐘
而總燃燒時間到達了20分鐘,能量轉換的效率相當不錯
但是啟動時間太久,是Trangia原版的兩倍以上
即使完成預熱,功率也很低,讓火力調整顯得有些多餘

其實Trangia酒精爐,還是得搭配風暴爐系統做使用
風暴爐經過精準的設計,具有非常優秀的防風,以及集熱功能
讓酒精爐的功率飛躍提升,同時保持良好的能量轉換效率
鍋具本身也可以具有煎/煮/烤的料理功能
因此可以應付極端的環境
當然,付出的代價即是可觀的重量與體積


b.不鏽鋼酒精爐/Out-D stainless stove

Out-D酒精爐的設計相當精簡,
外層是不鏽鋼容器,開有氣孔,
內層是鋁製內圈,內外圈形成中空夾層(副室)
夾層中沒有額外的填充物
夾層內加熱後的酒精蒸氣由外圈氣孔噴出,遇到明火形成火焰

購入：蝦皮299元
重量：230g(爐+支架)
爐體：87.8g
滅火蓋：29.7g
支架:112.5.g

使用所付的支架燒水測試(註7)
啟動時間：60-90秒(1:30上鍋)
500ml水燒開：07:07
30ml甲醇燃燒結束：08:57

增加水和燃料的測試(使用直徑12cm不鏽鋼杯)
啟動時間：60-90秒(1:30上鍋)
1000ml水燒開：13:14
外圈火焰消失：15:38
內圈火焰轉弱：16:05
熄火：18:13

這也是一個需要完成預熱啟動的酒精爐
容量大,可以裝下90-100ml酒精,完成預熱後功率不小
能量轉換的效率沒有傳統的黃銅酒精爐高
若使用更大的鍋具應該能有更好的效率和功率

不鏽鋼爐架有彈簧卡榫的設計,下壓才能展開
展開後可以穩穩放上大直徑的鍋具
反之如果使用直徑10公分以下的鍋具,會比較不穩
爐架非常穩固,重量也有相當份量

綜合以上,如果僅是用30ml酒精燒500ml水
這款不鏽鋼酒精爐的的功率以及效率並不好
畢竟預熱啟動就耗費了不少能量和時間
啟動後只燒一點水,自然就顯得不划算了
還有就是當外圈火焰消失,中央火焰轉弱到熄火的時間過長
無效的火焰持續時間較久,有種歹戲拖棚的感覺

但如果要燒比較多水,大容量和高功率可能就是他的優勢

以下是參考影片：
2 cups water (475ml)/ 1 ounce fuel
https://youtu.be/okH8H7-2ZsI (較大直徑鍋)
https://youtu.be/N3vlJX8Vdi4 (直徑12cm鍋)
8 cups water (1.89L)/ 3 ounces fuel (使用大直徑鍋具)
https://youtu.be/_WTas813cUY


註7:
一開始測試的時候,加入30ml甲醇
點火後一分鍾,中心的火焰就穩定燃燒
但是外圈火焰只點燃了一孔,其他空都沒有出火
大概到2：30的時候,想說乾脆把把火焰外圈吹熄
沒想到吹氣之後反而像是打開了某些開關,外圈火焰一下子全部點燃
預熱完成火力暴漲,不過第一次測試我沒有放鍋
最後大約燃燒到7：30外圈火消失,火力變小,大約在8分鐘時結束
之後的測試,在點火一分之後,我會稍微擾動氣流
讓外圈氣孔可以出火,然後在1:30放上鍋具
由於鍋具直徑小,測試時火焰會不斷沿著外緣向上燒
具有危險性,而且損失了不少熱量

c.純鈦酒精爐 AS-100

鈦製毛細酒精爐,外觀簡約就是一個小杯子
杯壁中有中空毛細管,讓酒精順著管路上升
杯緣內側是出火口,汽化後壓力上升的酒精由此噴出
遇到中央的明火燃燒形成火焰,由於具有一定壓力
並且是向內噴射,所以抗風能力會優於上述酒精爐(但還是很不抗風)
啟動時間也更快速,通常在10-20秒就可以完成預熱
我買的這個上面很騷包的寫著伏羲祝融的中文...
相同外型的爐子很多,個人推測都是同一產品,只是打上不同logo
包含：Lixada WST-062, 鈦工匠 Ti artisan WST-062....等
想玩的人,挑便宜的買就可以

購入：蝦皮690元
重量：40g

使用上方十字支架燒水測試(爐口至鍋底間距離約2.7cm)
啟動時間：10-20秒 (點火即上鍋)
500ml水燒開：8:19
30ml甲醇燃燒結束：11:28


使用DIY支架燒水測試(爐口至鍋底間距離約2.7cm)
啟動時間：10-20秒 (點火即上鍋)
500ml水燒開：7:48
30ml甲醇燃燒結束：12:47


d.Toaks鈦酒精爐 STV-01 / TOAKS Titanium Siphon Alcohol Stove

美國戶外品牌Toaks的鈦酒精爐,AS-100的縮小版
一般來說,AS-100 被認為是Toaks STV-01的低價仿製版
兩者也會被拿來比較
而AS-100的淘寶/蝦皮海外 價格大約在台幣400-500元左右
Toaks STV-01在美國亞馬遜的價格則是$35美金,約為AS-100的兩倍
其大小正好放入AS-100之中,重量也恰好是AS-100的一半
全鈦製造,爐壁毛細管與內緣噴口,噴口的大小與AS-100相當
整體做工比AS-100好一些,內壁沒有接縫,燃燒後也"藍"的漂亮一些

購入：蝦皮990元
重量：20g

使用上方十字支架燒水測試
啟動時間：
500ml水燒開：
30ml甲醇燃燒結束：

使用DIY支架燒水測試(爐口至鍋底間距離2.5cm)
啟動時間：10-15秒
500ml水燒開：8:27
30ml甲醇燃燒結束：14:09

和普遍的測試結果相同
Toaks STV-01的功率較AS-100低,能量使用效率則較高
另外使用直接放在爐子上的十字支架,會明顯降低酒精爐的功率和效率

延伸閱讀-國外的測試影片
https://youtu.be/TaO7pETVeno (Boil Test #1 有詳細環境/鍋具/燃料資料)
https://youtu.be/Y5LowrY2aJU (Boil Test #2 討論爐與鍋底間距離造成的影響)
https://youtu.be/UvoyvVuoWKY (Boil Test #4 別問#3去哪了,我也不知道)

https://youtu.be/0uQ9k89ErGo (另一位Youtuber)
https://youtu.be/aFb0-ByG7po (再另一位Youtuber)

AS-100 / Toaks STV-01 兩者的比較影片：
https://youtu.be/9B1hKFCiEBM


e.Goshawk鋁製內旋風酒精爐/
Goshawk Capillary Hoop Stove & Titanium Alloy Base

Goshawk 是位於澳洲墨爾本的一個小型戶外品牌
由當地的一個戶外登山俱樂部發展而來
一開始是以輕量化耐用的營釘為主力商品
後來也推出了許多DIY酒精爐具和炊具
並逐步改進製造工藝與規模

這個鋁製內旋風酒精爐
就是一項早期產品
官方網站所標示的功率和效率很棒
影片中的火焰也相當漂亮
參考連結：

https://www.goshawkoutdoor.online/collections/ul-backpacking/products/capillar
y-hoop-stove

購入：Goshawk官網 24.79澳幣
重量：35g(爐+支架)
爐：19.5g
支架：15.5g

燒水測試
啟動時間：20秒(點火即上鍋)
500ml水燒開：07:47
30ml甲醇耗盡：12:00

爐子整體做工普通,有一些些毛邊
內壁有點像是DIY時常用的鋁罐內壁
利用折痕當作毛細管道,摺痕比自己DIY做的工整許多
外壁則是一個較硬的鋁杯有一定厚度
相比一般鋁罐DIY製品,更不容易被壓扁
這個爐子在內緣邊上打了12個孔,火焰噴出呈現螺旋狀
火焰和官方網站影片中一致,但燃燒的成績卻遠不如官方數據(註)

註：
由於官方網站並沒有揭示測試的詳細資訊
造成差異的原因,可能是我用的鍋具較小,測試時的氣溫不同...等
另外,在直徑5.3公分的小爐子上開了12個孔有點太多
或許從而影響了效能,這部分有機會在DIY酒精爐製作會再說明


f.Goshwak 黃銅防風升降酒精爐/
Goshwak Convertible Windproof Open Coil Stove EDDY-X 003

和上個爐子一起由Goshwak官網購入
這個酒精爐應該是利用第一個Trangia仿品來改造的
因為從爐身外觀到密封蓋,滅火蓋都一模一樣
參考網頁：

https://www.goshawkoutdoor.online/products/convertible-windproof-open-coil-sto
ve

推測做法是將原本黃銅酒爐內壁切除
用八根填有玻璃纖維的中空銅管取代原本用來吸收並氣化酒精的夾層
中空銅管的頂端開有小孔,由玻璃纖維吸入的酒精在加熱後氣化
接觸中央明火後,便形成強烈火焰,火焰也呈現螺旋狀
在酒精爐的外緣,加上一圈金屬防風圈和爐架
防風圈可以上下調整接近鍋底,增加防風性與提升效能
爐架也相當穩定,爐和防風圈及爐架是鎖在一起的,無法拆開

購入：Goshawk官網49.97澳幣
重量：195.5g(爐+蓋子+滅火蓋)
爐(含防風圈與爐架)：151.5g
密封蓋：20g
滅火蓋：24g

燒水測試(防風圈放下)
啟動時間：20-30秒
500ml水燒開：06:30
30ml甲醇耗盡：10:33

燒水測試(防風圈升起)
起動時間：20-30秒
500ml水燒開：06:41
30ml甲醇耗盡：10:13

防風圈升起時,產生部分導流的效應
所以燃料消耗會增加,會增加工率降低效率
但由於單人鋁鍋的直徑較小,火焰飄出鍋緣浪費能量
最終燒水時間僅是持平而已
至於防風效果則較難評估(註)

整體來說,這個酒精爐的支架穩固
可以放上較大的鍋也不會倒或是軟腳
功率與效率也不錯,已經算是具有實用功能的商品了

註：
相關測試影片
http://b23.tv/h1YpIMh (Bilibili連結,室內外測試多款酒精爐)


g.Goshawk Era Burner & AZ-0 Windproof Stand

Goshawk 於去年十月推出的新產品,特點是火力很強
官方數據是三分鐘燒開500ml水,相當於其他酒精爐的兩倍功率
參考網頁：
https://www.goshawkoutdoor.online/products/era

不同於之前的DIY改造酒精爐, Era是全新設計和製造的產品
為 CNC加工製品,質感很好,7075-T6陽極氧化鋁合金材質
爐體下寬上窄,呈現火箭的形狀,爐內壁的結構也是毛細內旋風設計
爐內的底部印有有Goshawk 的字樣,支架的直徑與爐體相同
可以穩固的扣在爐體上,並且具有導流的效果

購入：Goshwak官網 79.9澳幣
重量：137g(爐+支架)
爐：104g
支架：33g

燒水測試
啟動時間：40秒
500ml水燒開：沒有完成測試,因為單人鋁鍋的直徑太小
完成啟動之後,爐外緣完全被火焰包圍,差點把手把燒掉,
就沒有繼續測下去了,以後有機會再用比較大的鍋子來測試


h.魚骨 酒精汽化爐 風之爐 / Fishbone FB-05E miniature bioethanol stove

台灣酒精爐,設計到製造都是MIT
相較於前面介紹的酒精爐
魚骨酒精爐的構造較為複雜,重量也最重
可以進行大小火控制,並且可以攜帶酒精
在國外也有販售
參考網頁：
https://www.solarlife.com.tw/products/alcohol_gasifier_s
https://www.fishbonestove.com/fb-05e/

這個酒精爐的設計十分特殊
預熱後中央的銅管會向周圍的銅管射出火焰
火焰加熱周圍銅管,使周圍銅管的酒精快速汽化喷出火焰
我們藉由控制中央銅管出火口的大小,來調節周邊銅管的溫度
最後達到控制火力的目的
酒精爐本身有洩壓孔,所以燃燒時腔室內的壓力不會大到爆炸

而且由於是先將酒精利用毛細物質吸到銅管中
再透過火焰局部加熱銅管,在運作時燃料倉的酒精不會(也不需要)沸騰
爐外壁也僅是溫熱而非燙手,可以手持(但是爐面還是很燙,要小心)
因此這個酒精爐會比一般爐子更能抵抗低溫環境

完成預熱後,可以隨時調小火/吹熄,吹熄後只要銅管還是熱的
也可以輕易用打火機重新點燃,使用上和汽化爐相同,方便性很高

購入：蝦皮1630元
重量：250g(所有配件不含收納袋)

燒水測試：
第一次使用30ml甲醇,無法將500ml水燒開....
考慮到這個酒精爐的容量有120ml
在燃料較少時無法有效作用,所以第二次測試加滿120ml甲醇
然後一次燒1000ml的水
啟動時間：40~60秒
1000ml水燒開：09:30
再放上500ml水燒開：14:00
再放上1000ml水燒開：23:00
再放上500ml水無法燒開
火焰在25:30變弱,無法再調整,此時水溫65'C
最後火焰在30:00熄滅,最終水溫95'C

官方標榜功率是是1200W / 能量轉化效率是 65%
實際測試時,大約9分鐘可以燒開1000ml, 21'C的水
燃料消耗效率 = 每分鐘消耗 4ml 甲醇 => 4 x 0.8 x 22.7 / 60 = 1210W
實際輸出功率 = 1000 x (100-21) x 4.18 / (60 x 9) = 611.5W
=> 能量轉化效率 611.5 / 1210 = 50.5%
雖和官方資訊有顯著差異,但已是非常優秀

這個酒精爐的重量和價格都是最高的
功能性也最強,功率和效率也很好
可以調整大小火,隨時熄火和重啟,可以應付更複雜的使用情境
即使爐身泡在冰水中也能有很好的火力輸出
可算的上是酒精爐界的霸主
不過250g的重量已經超越不少分體式瓦斯爐,直逼蜘蛛爐的範圍
若是考量到這點,魚骨酒精爐的產品定位就顯得有些尷尬了

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總結：
I.酒精爐燃燒時的火焰不明顯,使用需要非常小心
II.甲醇不易黑鍋,且價格低,但須注意其毒性,攜帶建議使用HDPE材質容器
III.酒精爐在戶外必須使用擋風板,並且需要預熱,全力運作時爐身很燙
IV.室溫500ml水,搭配單人鋁鍋,耗20-25ml甲醇,在6-7分鐘燒開,室外消耗會增加
V.在能買到的瓦斯氣罐的地方,還是用瓦斯爐吧....

其實魚骨酒精爐所面臨的問題,也是所有酒精爐面臨的問題
方便性和火力都不如瓦斯爐的狀況下
若非特殊情境,比如追求極致輕量,瓦斯取得困難的地區
酒精爐的出場機會真的不多了

至於這次沒提到的DIY酒精爐
因為可以符合自己的需求來製作
可以同時達到輕量化以及高效率的目的
但是學習運作原理和製作技巧的成本(時間,工具,材料,測試...)反而是最高的
也算是另一個坑了,之後有機會再作介紹

以上,祝大家新年快樂~

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