锅具金属材料导热特性的研究

＊涂国和 程玮仪 余灿宇 何俊达 刘远玲

（嘉应学院 物理与电子工程学院 广东 514015）

引言

锅具及其制作材料具有污染少，效率高，能耗低等特性显得越来越重要。烹饪锅具金属材料在加热的过程中，由于材料的物理性能会出现能耗差异，在烹饪食物过程中，火候的掌握和食物烹饪时长是直接影响食物品质的重要因素，所以这就要求锅具在传热过程中保证温度的稳定和升温的迅速。锅具金属材料导热特性是研究市面上常见锅具在模拟烹饪状态时锅具升温速率。具有优良的导热特性的锅具在加热过程中，锅具升温更加迅速，减少能源的损耗，传输热量效率更加高效。

文中主要研究市面上普遍选用制作锅具金属材料如铝合金、不锈钢、铁、球墨铸铁进行导热性能的实验测量，同时，研究对常见的锅具如铸铁锅、复合材料锅、涂层锅等进行模拟烹饪环境下导热性能的测试，探究不同金属材料制作的锅具在加热过程中的温度变化的差异以及对食物进行加热过程中对食物传热效率的影响，为更加绿色健康，节能环保的锅具的行业提供传热特性方面的参考价值。

1.烹饪锅具种类简介

(1)单质锅

单质锅具即使用一种金属材料制作而成的锅具的总称，同时也是生活中最常见的锅具类型。现在市场上最多的单质锅具是铝合金锅、不锈钢锅、生铁锅和熟铁锅等。在这几种锅具中他们各自有各自的优点和缺点，如铁锅具有耐高温、传热快等优点，但是容易生锈；铝合金锅非常轻便耐用具有良好的导热性能、耐蚀性，但是不能装强酸强碱等腌制食品，并且长期食铝过多，会加速人体衰老；不锈钢锅具有美观耐用等特点，但是不宜长时间盛放盐、酱油、菜汤等。

(2)复合材料锅

复合材料锅是由多种材料复合而成的锅具的一种总称，包括煎锅、汤锅、砂光锅等。对单质锅具某些方面存在缺点的情况下通过对两种或者多种材料进行复合制作而成的一种在各种性能上表现都较好的锅具。它们表面较为光滑，易于清洁；耐热性能好，不易炸裂；锅体受热均匀而且不容易渗水；稳定性能好，不易氧化或变质等。市面上常见的复合材料锅具是涂层不粘锅和无涂层不粘锅。涂层不粘锅是在锅体表面覆盖了一层薄膜涂层，能够让食物达到不粘的效果，清洗起来也比较方便，但是缺点便是涂层容易脱落，食用后对人体造成影响。无涂层不粘锅是通过对制作单质锅的材料进行复合制作而成的锅具，这种锅具具有单质锅的优点，也弥补了单质锅物理性能上存在的缺点。

2.烹饪锅具金属材料导热特性测试

(1)金属材料直径、厚度的测量

实验对比金属材料上下表面的温度差来反映出材料的相对导热性的优良。采用如图1所示的形状为圆饼状的铝合金、不锈钢、铁、球墨铸铁作为实验材料进行试验。

图1 铝合金、不锈钢、铁、球墨铸铁实验材料

实验使用游标卡尺（0.02mm）对上面几种材料进行直径和厚度的多次测量并取平均值得到铝的平均直径和平均厚度分别为130.09mm、12.11mm；不锈钢的平均直径和平均厚度分别为130.01mm、12.17mm；铁的平均直径和平均厚度分别为129.98mm、12.20mm；球墨铸铁的平均直径和平均厚度分别为130.01mm、12.14mm。

(2)金属散热面积以及散热面积的温度

当加热盘加热到设定的75℃时，每隔一分钟记录一次金属材料底部的温度值，见表1。

表1 金属材料底部温度测量值（单位：℃）

在相同直径，相同厚度的条件下，铝在10min后温度稳定在57.8℃，不锈钢在10min后温度稳定在55.9℃，铁在10min后温度稳定在53.1℃，球墨铸铁在10min后温度稳定在54.5℃。

(3)金属材料上下表面温度差

实验时，使用相对稳态实验测量法测量金属材料上下表面的温差值，研究其相对导热性能。实验测量结果如表2。

表2 金属材料的上下表面温差（单位：℃）

根据上下表面温差越小说明导热系数越大的原理，在四种材料散热面积近似相等的条件下，即材料的自然散热程度可看作相等，可得出铝合金、不锈钢、铁、球墨铸铁的相对导热性由大到小为：铝、不锈钢、球墨铸铁、铁。

3.锅具导热特性的测试

(1)实验锅具的选择

通过调查和研究，实验挑选了线上各大平台销售量较高，直径均为18cm的成品煎锅：铁锅、球墨铸铁锅、章丘铁锅、麦饭石锅和复合锅进行实验。通过稳定加热源温度在75℃的情况下，分别对这五种初始温度都为25℃锅具进行加热20min，并在锅具表面进行温度测量，通过表面温度的变化来反映不同材料制作的成品锅具传热性能的优劣。

(2)实验数据

在加热源保持在75℃的情况下，分别对初始温度相同的铁锅、球墨铸铁锅、章丘铁锅、麦饭石锅和复合锅进行加热20min的测试，并每隔20s分别记录锅具表面的温度。如表3是在加热前5min时候，五种锅具表面的温度。

表3 锅具表面温度测量值（单位：℃）

将对五种锅具在5min加热过程中，表面的温度进行汇总可得如图2所示的锅具表面温度柱状图。

图2 锅具加热5分钟表面温度变化柱状图

实验时，铁锅等5种锅具初始温度都为23℃的条件下，根据图2柱状图可知，在第1min内，球墨铸铁锅温度上升的效率最高，达到加热源温度的52.0%，而章丘铁锅只有43.9%、麦饭石锅有41.6%、铁锅有40.4%、复合锅有37.3%。在这前5min的加热测试中，铁锅、球墨铸铁锅、章丘铁锅、麦饭石锅和复合锅的传热效率由高到低是：球墨铸铁锅＞章丘铁锅＞麦饭石锅＞铁锅＞复合锅。在20min时候，通过测量可得到锅具表面与加热源的温度之间的温度差△如表4所示。

表4 五种锅具加热源与锅具表面之间的温度差（单位：℃）

在初始温度以及加热源温度相同的情况下，相同尺寸的成品煎锅：铁锅、球墨铸铁锅、章丘铁锅、麦饭石锅和复合锅，在75℃加热源加热的情况下，根据与散热盘的温差越小，材料导热性能越好的原理可得出这五种锅具的导热性能从高到低排序为：球墨铸铁锅、章丘铁锅、麦饭石锅、铁锅、复合锅。

4.结语

烹饪锅具金属材料在加热的过程中，由于材料的物理性能会出现能耗差异，在烹饪食物过程中，具有优良的导热特性的锅具在加热过程中，锅具升温更加迅速，减少能源的损耗，传输热量效率更加高效。球墨铸铁锅在实验中对比其他四种锅具传热性能更加优秀，升温的速度也更加迅速。在食物烹饪过程中，烹饪锅具金属材料选取以及成品锅具具有更好的传热性能能够直接影响食物的品质，更高的传热效率也能够更加节能环保，项目的实验结果也能够为安全健康，绿色环保的锅具行业提供参考价值。