鍋具金屬材料導熱特性的研究

＊涂國和 程瑋儀 余燦宇 何俊達 劉遠玲

（嘉應學院 物理與電子工程學院 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越重要。烹飪鍋具金屬材料在加熱的過程中，由于材料的物理性能會出現能耗差異，在烹飪食物過程中，火候的掌握和食物烹飪時長是直接影響食物品質的重要因素，所以這就要求鍋具在傳熱過程中保證溫度的穩定和升溫的迅速。鍋具金屬材料導熱特性是研究市面上常見鍋具在模擬烹飪狀態時鍋具升溫速率。具有優良的導熱特性的鍋具在加熱過程中，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、球墨鑄鐵進行導熱性能的實驗測量，同時，研究對常見的鍋具如鑄鐵鍋、復合材料鍋、涂層鍋等進行模擬烹飪環境下導熱性能的測試，探究不同金屬材料制作的鍋具在加熱過程中的溫度變化的差異以及對食物進行加熱過程中對食物傳熱效率的影響，為更加綠色健康，節能環保的鍋具的行業提供傳熱特性方面的參考價值。

1.烹飪鍋具種類簡介

(1)單質鍋

單質鍋具即使用一種金屬材料制作而成的鍋具的總稱，同時也是生活中最常見的鍋具類型。現在市場上最多的單質鍋具是鋁合金鍋、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點和缺點，如鐵鍋具有耐高溫、傳熱快等優點，但是容易生銹；鋁合金鍋非常輕便耐用具有良好的導熱性能、耐蝕性，但是不能裝強酸強堿等腌制食品，并且長期食鋁過多，會加速人體衰老；不銹鋼鍋具有美觀耐用等特點，但是不宜長時間盛放鹽、醬油、菜湯等。

(2)復合材料鍋

復合材料鍋是由多種材料復合而成的鍋具的一種總稱，包括煎鍋、湯鍋、砂光鍋等。對單質鍋具某些方面存在缺點的情況下通過對兩種或者多種材料進行復合制作而成的一種在各種性能上表現都較好的鍋具。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；穩定性能好，不易氧化或變質等。市面上常見的復合材料鍋具是涂層不粘鍋和無涂層不粘鍋。涂層不粘鍋是在鍋體表面覆蓋了一層薄膜涂層，能夠讓食物達到不粘的效果，清洗起來也比較方便，但是缺點便是涂層容易脫落，食用后對人體造成影響。無涂層不粘鍋是通過對制作單質鍋的材料進行復合制作而成的鍋具，這種鍋具具有單質鍋的優點，也彌補了單質鍋物理性能上存在的缺點。

2.烹飪鍋具金屬材料導熱特性測試

(1)金屬材料直徑、厚度的測量

實驗對比金屬材料上下表面的溫度差來反映出材料的相對導熱性的優良。采用如圖1所示的形狀為圓餅狀的鋁合金、不銹鋼、鐵、球墨鑄鐵作為實驗材料進行試驗。

圖1 鋁合金、不銹鋼、鐵、球墨鑄鐵實驗材料

實驗使用游標卡尺（0.02mm）對上面幾種材料進行直徑和厚度的多次測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

當加熱盤加熱到設定的75℃時，每隔一分鐘記錄一次金屬材料底部的溫度值，見表1。

表1 金屬材料底部溫度測量值（單位：℃）

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

(3)金屬材料上下表面溫度差

實驗時，使用相對穩態實驗測量法測量金屬材料上下表面的溫差值，研究其相對導熱性能。實驗測量結果如表2。

表2 金屬材料的上下表面溫差（單位：℃）

根據上下表面溫差越小說明導熱系數越大的原理，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、球墨鑄鐵的相對導熱性由大到小為：鋁、不銹鋼、球墨鑄鐵、鐵。

3.鍋具導熱特性的測試

(1)實驗鍋具的選擇

通過調查和研究，實驗挑選了線上各大平臺銷售量較高，直徑均為18cm的成品煎鍋：鐵鍋、球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋和復合鍋進行實驗。通過穩定加熱源溫度在75℃的情況下，分別對這五種初始溫度都為25℃鍋具進行加熱20min，并在鍋具表面進行溫度測量，通過表面溫度的變化來反映不同材料制作的成品鍋具傳熱性能的優劣。

(2)實驗數據

在加熱源保持在75℃的情況下，分別對初始溫度相同的鐵鍋、球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋和復合鍋進行加熱20min的測試，并每隔20s分別記錄鍋具表面的溫度。如表3是在加熱前5min時候，五種鍋具表面的溫度。

表3 鍋具表面溫度測量值（單位：℃）

將對五種鍋具在5min加熱過程中，表面的溫度進行匯總可得如圖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

實驗時，鐵鍋等5種鍋具初始溫度都為23℃的條件下，根據圖2柱狀圖可知，在第1min內，球墨鑄鐵鍋溫度上升的效率最高，達到加熱源溫度的52.0%，而章丘鐵鍋只有43.9%、麥飯石鍋有41.6%、鐵鍋有40.4%、復合鍋有37.3%。在這前5min的加熱測試中，鐵鍋、球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋和復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＞復合鍋。在20min時候，通過測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、麥飯石鍋和復合鍋，在75℃加熱源加熱的情況下，根據與散熱盤的溫差越小，材料導熱性能越好的原理可得出這五種鍋具的導熱性能從高到低排序為：球墨鑄鐵鍋、章丘鐵鍋、麥飯石鍋、鐵鍋、復合鍋。

4.結語

烹飪鍋具金屬材料在加熱的過程中，由于材料的物理性能會出現能耗差異，在烹飪食物過程中，具有優良的導熱特性的鍋具在加熱過程中，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。球墨鑄鐵鍋在實驗中對比其他四種鍋具傳熱性能更加優秀，升溫的速度也更加迅速。在食物烹飪過程中，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，更高的傳熱效率也能夠更加節能環保，項目的實驗結果也能夠為安全健康，綠色環保的鍋具行業提供參考價值。