鍋具金屬材料導(dǎo)熱特性的研究

＊涂國(guó)和 程瑋儀 余燦宇 何俊達(dá) 劉遠(yuǎn)玲

（嘉應(yīng)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院 廣東 514015）

引言

鍋具及其制作材料具有污染少，效率高，能耗低等特性顯得越來(lái)越重要。烹飪鍋具金屬材料在加熱的過(guò)程中，由于材料的物理性能會(huì)出現(xiàn)能耗差異，在烹飪食物過(guò)程中，火候的掌握和食物烹飪時(shí)長(zhǎng)是直接影響食物品質(zhì)的重要因素，所以這就要求鍋具在傳熱過(guò)程中保證溫度的穩(wěn)定和升溫的迅速。鍋具金屬材料導(dǎo)熱特性是研究市面上常見(jiàn)鍋具在模擬烹飪狀態(tài)時(shí)鍋具升溫速率。具有優(yōu)良的導(dǎo)熱特性的鍋具在加熱過(guò)程中，鍋具升溫更加迅速，減少能源的損耗，傳輸熱量效率更加高效。

文中主要研究市面上普遍選用制作鍋具金屬材料如鋁合金、不銹鋼、鐵、球墨鑄鐵進(jìn)行導(dǎo)熱性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，同時(shí)，研究對(duì)常見(jiàn)的鍋具如鑄鐵鍋、復(fù)合材料鍋、涂層鍋等進(jìn)行模擬烹飪環(huán)境下導(dǎo)熱性能的測(cè)試，探究不同金屬材料制作的鍋具在加熱過(guò)程中的溫度變化的差異以及對(duì)食物進(jìn)行加熱過(guò)程中對(duì)食物傳熱效率的影響，為更加綠色健康，節(jié)能環(huán)保的鍋具的行業(yè)提供傳熱特性方面的參考價(jià)值。

1.烹飪鍋具種類簡(jiǎn)介

(1)單質(zhì)鍋

單質(zhì)鍋具即使用一種金屬材料制作而成的鍋具的總稱，同時(shí)也是生活中最常見(jiàn)的鍋具類型?，F(xiàn)在市場(chǎng)上最多的單質(zhì)鍋具是鋁合金鍋、不銹鋼鍋、生鐵鍋和熟鐵鍋等。在這幾種鍋具中他們各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如鐵鍋具有耐高溫、傳熱快等優(yōu)點(diǎn)，但是容易生銹；鋁合金鍋非常輕便耐用具有良好的導(dǎo)熱性能、耐蝕性，但是不能裝強(qiáng)酸強(qiáng)堿等腌制食品，并且長(zhǎng)期食鋁過(guò)多，會(huì)加速人體衰老；不銹鋼鍋具有美觀耐用等特點(diǎn)，但是不宜長(zhǎng)時(shí)間盛放鹽、醬油、菜湯等。

(2)復(fù)合材料鍋

復(fù)合材料鍋是由多種材料復(fù)合而成的鍋具的一種總稱，包括煎鍋、湯鍋、砂光鍋等。對(duì)單質(zhì)鍋具某些方面存在缺點(diǎn)的情況下通過(guò)對(duì)兩種或者多種材料進(jìn)行復(fù)合制作而成的一種在各種性能上表現(xiàn)都較好的鍋具。它們表面較為光滑，易于清潔；耐熱性能好，不易炸裂；鍋體受熱均勻而且不容易滲水；穩(wěn)定性能好，不易氧化或變質(zhì)等。市面上常見(jiàn)的復(fù)合材料鍋具是涂層不粘鍋和無(wú)涂層不粘鍋。涂層不粘鍋是在鍋體表面覆蓋了一層薄膜涂層，能夠讓食物達(dá)到不粘的效果，清洗起來(lái)也比較方便，但是缺點(diǎn)便是涂層容易脫落，食用后對(duì)人體造成影響。無(wú)涂層不粘鍋是通過(guò)對(duì)制作單質(zhì)鍋的材料進(jìn)行復(fù)合制作而成的鍋具，這種鍋具具有單質(zhì)鍋的優(yōu)點(diǎn)，也彌補(bǔ)了單質(zhì)鍋物理性能上存在的缺點(diǎn)。

2.烹飪鍋具金屬材料導(dǎo)熱特性測(cè)試

(1)金屬材料直徑、厚度的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)對(duì)比金屬材料上下表面的溫度差來(lái)反映出材料的相對(duì)導(dǎo)熱性的優(yōu)良。采用如圖1所示的形狀為圓餅狀的鋁合金、不銹鋼、鐵、球墨鑄鐵作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 鋁合金、不銹鋼、鐵、球墨鑄鐵實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用游標(biāo)卡尺（0.02mm）對(duì)上面幾種材料進(jìn)行直徑和厚度的多次測(cè)量并取平均值得到鋁的平均直徑和平均厚度分別為130.09mm、12.11mm；不銹鋼的平均直徑和平均厚度分別為130.01mm、12.17mm；鐵的平均直徑和平均厚度分別為129.98mm、12.20mm；球墨鑄鐵的平均直徑和平均厚度分別為130.01mm、12.14mm。

(2)金屬散熱面積以及散熱面積的溫度

當(dāng)加熱盤(pán)加熱到設(shè)定的75℃時(shí)，每隔一分鐘記錄一次金屬材料底部的溫度值，見(jiàn)表1。

表1 金屬材料底部溫度測(cè)量值（單位：℃）

在相同直徑，相同厚度的條件下，鋁在10min后溫度穩(wěn)定在57.8℃，不銹鋼在10min后溫度穩(wěn)定在55.9℃，鐵在10min后溫度穩(wěn)定在53.1℃，球墨鑄鐵在10min后溫度穩(wěn)定在54.5℃。

(3)金屬材料上下表面溫度差

實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用相對(duì)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量法測(cè)量金屬材料上下表面的溫差值，研究其相對(duì)導(dǎo)熱性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表2。

表2 金屬材料的上下表面溫差（單位：℃）

根據(jù)上下表面溫差越小說(shuō)明導(dǎo)熱系數(shù)越大的原理，在四種材料散熱面積近似相等的條件下，即材料的自然散熱程度可看作相等，可得出鋁合金、不銹鋼、鐵、球墨鑄鐵的相對(duì)導(dǎo)熱性由大到小為：鋁、不銹鋼、球墨鑄鐵、鐵。

3.鍋具導(dǎo)熱特性的測(cè)試

(1)實(shí)驗(yàn)鍋具的選擇

通過(guò)調(diào)查和研究，實(shí)驗(yàn)挑選了線上各大平臺(tái)銷(xiāo)售量較高，直徑均為18cm的成品煎鍋：鐵鍋、球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋和復(fù)合鍋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)穩(wěn)定加熱源溫度在75℃的情況下，分別對(duì)這五種初始溫度都為25℃鍋具進(jìn)行加熱20min，并在鍋具表面進(jìn)行溫度測(cè)量，通過(guò)表面溫度的變化來(lái)反映不同材料制作的成品鍋具傳熱性能的優(yōu)劣。

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在加熱源保持在75℃的情況下，分別對(duì)初始溫度相同的鐵鍋、球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋和復(fù)合鍋進(jìn)行加熱20min的測(cè)試，并每隔20s分別記錄鍋具表面的溫度。如表3是在加熱前5min時(shí)候，五種鍋具表面的溫度。

表3 鍋具表面溫度測(cè)量值（單位：℃）

將對(duì)五種鍋具在5min加熱過(guò)程中，表面的溫度進(jìn)行匯總可得如圖2所示的鍋具表面溫度柱狀圖。

圖2 鍋具加熱5分鐘表面溫度變化柱狀圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，鐵鍋等5種鍋具初始溫度都為23℃的條件下，根據(jù)圖2柱狀圖可知，在第1min內(nèi)，球墨鑄鐵鍋溫度上升的效率最高，達(dá)到加熱源溫度的52.0%，而章丘鐵鍋只有43.9%、麥飯石鍋有41.6%、鐵鍋有40.4%、復(fù)合鍋有37.3%。在這前5min的加熱測(cè)試中，鐵鍋、球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋和復(fù)合鍋的傳熱效率由高到低是：球墨鑄鐵鍋＞章丘鐵鍋＞麥飯石鍋＞鐵鍋＞復(fù)合鍋。在20min時(shí)候，通過(guò)測(cè)量可得到鍋具表面與加熱源的溫度之間的溫度差△如表4所示。

表4 五種鍋具加熱源與鍋具表面之間的溫度差（單位：℃）

在初始溫度以及加熱源溫度相同的情況下，相同尺寸的成品煎鍋：鐵鍋、球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋和復(fù)合鍋，在75℃加熱源加熱的情況下，根據(jù)與散熱盤(pán)的溫差越小，材料導(dǎo)熱性能越好的原理可得出這五種鍋具的導(dǎo)熱性能從高到低排序?yàn)椋呵蚰T鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋、鐵鍋、復(fù)合鍋。

4.結(jié)語(yǔ)

烹飪鍋具金屬材料在加熱的過(guò)程中，由于材料的物理性能會(huì)出現(xiàn)能耗差異，在烹飪食物過(guò)程中，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱特性的鍋具在加熱過(guò)程中，鍋具升溫更加迅速，減少能源的損耗，傳輸熱量效率更加高效。球墨鑄鐵鍋在實(shí)驗(yàn)中對(duì)比其他四種鍋具傳熱性能更加優(yōu)秀，升溫的速度也更加迅速。在食物烹飪過(guò)程中，烹飪鍋具金屬材料選取以及成品鍋具具有更好的傳熱性能能夠直接影響食物的品質(zhì)，更高的傳熱效率也能夠更加節(jié)能環(huán)保，項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也能夠?yàn)榘踩】?，綠色環(huán)保的鍋具行業(yè)提供參考價(jià)值。