鸳鸯火锅中辣油锅先沸腾现象及传热原理分析

2024-04-13罗声豪宋玉洁凌子夜张正国方晓明

食品工业 2024年3期

罗声豪，宋玉洁，凌子夜, ，张正国, , ，方晓明,,

1.华南理工大学化学与化工学院（广州 510640）；2.华南理工大学广东省热能高效储存与利用工程技术研究中心（广州 510640）；3.华南理工大学珠海现代产业创新研究院（珠海 519175）

火锅是中国最受欢迎的美食之一。鸳鸯锅由辣油锅和清汤锅组成，这种组合使得火锅的口味更加丰富，备受人们喜爱。然而，人们涮鸳鸯锅时常会发现辣油锅似乎总是比清汤锅先沸腾。这个现象是否只是巧合，如果辣油锅确实是先沸腾，那是什么原因引起的呢？

沸腾是生活中一种常见现象，指的是液体在达到沸点温度后继续吸热并产生汽化现象、形成气泡的过程。由于汽化过程中液体吸收大量热量而温度保持不变，沸腾在传热领域中得到广泛应用。如热管就是一种利用液体沸腾换热过程对芯片等高功率密度电子设备进行散热的一种器件，其工作原理如图1所示。热管内液体吸收CPU的热量[1]后发生沸腾，以气体形式将热量迅速传递到散热器上，与风扇吹出的冷风进行热交换后将热量散发到空气中，气体重新冷凝成液体回流到蒸发腔内，再进行下一次的换热。

图1 CPU热管示意图[2]

图2 影响火锅升温速率的因素

沸腾是传热学科中的一个重要概念，在沸腾换热领域的研究中，已有研究主要致力于寻找提高沸腾换热效率的方法，即强化沸腾传热。研究目标是使液体能够更快形成气泡，并尽可能让气泡迅速脱离加热面，从而更高效地带走热量。

影响沸腾的因素有很多，包括加热温度、加热容器结构、液体的物理性质等。一般情况下，加热温度高可以加快沸腾；加热容器的粗糙度大，更容易产生气泡，沸腾速率更快[3-5]。在鸳鸯锅中，清水锅和辣油锅的加热温度和加热容器结构基本相同，因此造成其沸腾速率不同的主要因素来自液体的物性差异。液体的热导率、比热容、黏度、润湿性等都属于能够改变沸腾速率的物理特性。热导率是指物质传导热量的能力，热导率越高，相同温差下流体能够越快吸收热量，从而让液体更快得到足够的热量驱动它汽化。比热容是指单位质量的材料升高1 ℃所需要吸收的热量。比热容升高，材料需要吸收更多的热量才能升高至沸点，在相同加热条件沸腾可能会被延缓。此外，沸腾过程中产生的气泡会搅动液体[6-9]，如果液体黏度大，则流体更难被搅动，气泡运动阻力越大，沸腾难度加大。同时，如果液体在加热壁面润湿性较差，液体不容易在固体表面铺展开来，更容易形成气泡，会在一定程度上加快沸腾[3,10-13]。此外，液体的饱和蒸气压会影响其沸点。液体的饱和蒸气压变大，则液体更快与气相形成相平衡，沸点更低，更容易发生蒸发现象。蒸发与沸腾都是液体汽化的一种现象，但蒸发过程不产生明显的气泡，因此不容易观察到。但蒸发过程中同样需要吸收大量的热，因此火锅体系的热损失会增大，导致锅内液体可能得不到足够的热量产生沸腾，从而导致沸腾的延缓。

由此可见，要搞清楚火锅辣油锅是不是先沸腾、为什么先沸腾，找出辣油锅和清汤锅底物性差异非常重要。然而火锅体系复杂，相比清汤锅，辣油锅锅底的主要成分是加入的植物油或牛油[14]、辣椒及其他固体香辛料[15]。辣油锅和清水锅的物性测试相对困难，相关研究缺乏。

对鸳鸯火锅辣油锅是否先沸腾现象开展试验研究，试图通过科学的测量分析以解释生活中常见的现象。试验对辣油锅、清水锅的热物性，包括热导率、比热容、饱和蒸气压等进行测量，并通过控制变量的方式对比不同因素控制下沸腾时间差异，找出辣油锅先沸腾的核心原因。

1 材料与方法

1.1 火锅体系的原材料选择

通过在水中加入牛油、大豆油制备辣油锅锅底作为研究对象，与清水锅进行对比。由于辣油锅成分较为复杂，对其组分进行简化，使测试对象保留其主要成分的基础上便于测量。辣油锅中，根据锅底油脂种类的不同，可分为清油锅底和牛油锅底[14]。清油锅底主要采用植物油，试验中选用大豆油进行代替，牛油锅底则主要采用牛油。同时，为探究辣椒素类物质对辣油锅升温速率的影响，在锅底中添加一定量辣椒碱[16]。

大豆油（益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司，明黄色透明液体）；牛油（重庆牧哥食品有限公司，白色固体）；辣椒碱（广州华粤药业有限公司，白色粉末，含量＞99%）。

1.2 火锅底料的热物性测试

1.2.1 比热容

采用差示扫描量热仪（DSC，TA Q20）分别测量空盘、蓝宝石标准样和待测材料的DSC曲线，可计算得到各个试验材料在试验温度范围内的平均比热容。故选择测试温度范围均为25～105 ℃，测试升温速率5 ℃/min，平衡温度恒温1 min，利用得到的DSC曲线，可根据式（1）计算出各个试验材料在所选温度范围内的平均比热容。

式中：C为比热容，J/（mg·K）；Y为DSC数值；m为质量，mg。

1.2.2 热导率

采用Hot Disk热导率仪测量纯水、大豆油、牛油的热导率，测试方法为瞬态平板热源法。分别测试水在30 ℃以及大豆油和牛油在30 ℃和100 ℃的热导率。

1.2.3 饱和蒸气压

使用自动电位滴定仪基于雷德法测量去离子水、大豆油的饱和蒸气压。去离子水的测试温度为25 ℃，大豆油的测试温度为25 ℃和100 ℃这2个温度。

1.2.4 沸腾试验

为对比不同组分的火锅体系沸腾时间，搭建包括沸腾池容器如图3所示的试验系统，包括沸腾池容器、温度控制及加热系统、数据采集系统。

图3 试验装置

沸腾池主体模具由黄铜制成，内腔是1个80 mm×80 mm×80 mm的立方体。加热系统为不锈钢电热板，温度设定为300 ℃恒定不变。

温度数据采集系统为安捷伦数据采集仪（34970A），用K型热电偶分别负责采集水相中央温度，如图4所示，误差±0.1 ℃，采集时间间隔10 s。

图4 热电偶设置示意图

加热试验：对300 g纯水及油水混合物进行加热，记录液体从加热开始到沸腾的时间并进行对比。

为避免体系总热容量不同带来的沸腾速率差异，基于比热容的测量数据，根据式（2）不同水油比的材料热容，调节油水混合物的质量，使其总的比热容与300 g纯水相同。在总比热容相同的条件下考察影响辣油锅。

为进一步考察动物油、植物油对沸腾时间的影响规律，调节水-油比例分别为10∶1，10∶2，10∶3，10∶4和10∶5共5种。

另外，还需探究辣椒碱的添加对沸腾所需时间te是否有影响。在水-大豆油、水-牛油比10∶5的体系中添加5 g过量的辣椒碱，研究辣椒素对沸腾时间的影响。

加热试验：将不锈钢加热板预热至300 ℃并恒温10 min，将装有水、油水混合物的加热容器放置在加热板上，通过热电偶记录水温从30 ℃上升至温度保持恒定不变时所需时间te，此时的温度记为Te，被认为是液体的沸腾温度。

2 结果与讨论

2.1 清汤锅和辣油锅主要物质热物性对比

2.1.1 比热容

对材料的比热容进行表征，水的比热容比大豆油、牛油都高。如图5所示，水的平均比热容比大豆油和牛油提高38%和68%（表1）。因此，在相同质量和相同加热功率下，辣油锅体系比热容小，升温速率理论上比清汤锅体系更快。

表1 试验材料平均比热容

图5 试验材料比热容

为研究比热容减小是否为辣油锅先沸腾的核心因素，根据不同水油比计算大豆油、牛油和水质量，使辣油锅锅底的总热容与纯水保持一致，具体的用量如表2所示。在总热容相同的情况下，比较清汤锅和辣油锅的沸腾速率，以判断辣油锅的沸腾是否因比热容差异而产生。

表2 等热容条件下水和大豆油/牛油用量

2.1.2 热导率

辣油锅材料的热导率低于清汤锅，这可能会降低其从热源吸热的速率，延缓其发生沸腾的时间。如图6所示，大豆油的热导率0.16～0.17 W/（m·K），约为同温度下纯水的25%～26%，牛油在30 ℃条件下为固态，热导率较高，但也仅为水的56.2%，熔化后的牛油热导率在纯水的26%左右。

图6 试验材料热导率测试结果

2.1.3 饱和蒸汽压

开展材料的饱和蒸汽压测试，并猜想饱和蒸气压的差异可能是影响火锅沸腾速率的主要因素之一。饱和蒸汽压体现的是材料在一定温度条件下，与其蒸汽处于相平衡时，蒸汽所具有的分压压强。饱和蒸汽压测试结果如图7所示。纯水和油的饱和蒸汽压随着温度的上升而增大，且同温度条件下纯水的饱和蒸汽压比油高42%～174%。这意味着水在同温度下会比油具有更大的蒸发速率，因此更容易带走热量。这主要由于油脂类物质相比水具有更大的分子量，在相同温度下，油中的分子具有更低的平均速度和能量，也就更难汽化成蒸汽。因此可以推断牛油和大豆油具有相似的蒸汽压，均比水更低。

图7 试验材料不同温度条件下饱和蒸汽压对比

对于辣油锅，由于水和油不相溶，且油的密度更小，因此水-油体系中，液气界面为油-空气界面，发生蒸发过程的只有油相，饱和蒸汽压较小的油相蒸发速率慢，最终导致水-油体系的辣油锅热损失速率小。由于饱和蒸汽压随温度的上升而增大，因此水的蒸发速率和散热速率也会随着温度的上升而增大，因此水相的温度变化速率也随之逐渐减小，与图8中纯水体系的水相温度变化曲线呈现的规律相一致。

图8 体系总质量一定时水-大豆油体系不同水-油比下升温曲线图

因此，需综合考虑热导率和饱和蒸汽压等因素，并结合体系等热容的试验结果，论证对沸腾速率的影响。

2.2 总质量一定的清汤及辣油锅沸腾时间对比

通过沸腾时间对比，验证相同质量下辣油锅确实比清汤锅更快沸腾。对总质量均为300 g的纯水和不同比例的水油混合物进行加热，升温曲线如图8和图9所示。对比水-大豆油和水-牛油混合物与纯水体系从30 ℃加热至沸腾温度Te的时间发现，300 g纯水的沸腾时间约32 min，水-大豆油体系的沸腾时间比纯水低43.8%～48.8%，而水-牛油体系的沸腾时间则比纯水低37.4%～46.0%，表明辣油锅相较清汤锅确实沸腾时间更短，如图10所示。

图9 体系总质量一定时水-牛油体系不同水-油比下升温曲线图

图10 体系总质量一定时水-油体系不同水-油比下沸腾时间与纯水体系对比

经计算，体系总质量一定时，水-油体系的总热容都比纯水体系更小（如表3所示）。这可能是影响两种体系沸腾速率的原因，因此需设计试验验证这一猜想。

表3 相同质量各体系的总热容

2.3 总热容一定清汤锅及辣油锅沸腾时间对比

为研究热容是否是影响其沸腾的核心原因，对比同等总热容的不同比例的水、水油混合物的升温速率，结果发现总热容相同情况下，辣油锅也确实先沸腾。

加热试验结果如图11和图12所示。300 g纯水的沸腾时间约32 min。而同等热容量的水-大豆油、水-牛油混合物的沸腾时间分别为17 min和21 min，均小于纯水体系的沸腾时间，分别比纯水减少约45%和35%。这表明在清汤锅和辣油锅的总热容相同的情况下，辣油锅依然显著地更快发生沸腾现象。

图11 体系热容量一定时水-大豆油体系不同水-油比下升温曲线图

图12 体系热容量一定时水-牛油体系不同水-油比下升温曲线图

图13 体系热容量一定时水-油体系不同水-油比下沸腾时间与纯水体系对比

2.3.1 含辣椒碱、干辣椒体系沸腾时间对比

对比含辣椒碱体系的沸腾时间与不含辣椒碱体系，以证明辣椒碱并不会对辣油锅体系的沸腾速率存在显著影响。对比水-大豆油比例10∶5的体系与其中添加5 g辣椒碱的体系的沸腾时间，如图14所示。含辣椒碱的体系温度升高速度比不含辣椒碱的体系更快，沸腾所需时间te缩短0.67 min。然而，需要指出的是，这是在体系中添加常规量的约588倍的辣椒碱后的结果，相比之下添加辣椒碱后的差异太小。因此，可以判断辣油锅中辣椒碱的存在对沸腾的影响较小。

图14 水-大豆油比例10∶5条件下添加辣椒碱前后沸腾时间对比

然而，辣椒本身作为一种多孔的固形物，在辣油锅中或许可以提供辣油锅沸腾的成核位点。因此，为证明辣椒对辣油锅体系是否存在影响，对比水-大豆油比例10∶5的体系与其中添加10 g干辣椒（以铺满液面为准，如图15所示）的体系的沸腾时间，结果如图16所示。两者的te基本一致，可以证明干辣椒对辣油锅的沸腾时间无显著影响。

图15 在水-大豆油体系中添加干辣椒至铺满液面

图16 水-大豆油比例10∶5条件下添加辣椒碱前后沸腾时间对比

2.4 辣油锅先沸腾原因分析

关于辣油锅先沸腾的原因，排除油相使水相的沸点降低的猜想。从图11和图12中可以看出，各体系的沸腾温度Te都约等于100 ℃，即常压下纯水的沸点。由于水和大豆油或牛油并非完全不互溶，但溶解度十分小，因此并不能形成共沸物，对水相沸点的影响可以忽略不计。因此辣油锅中油相的存在并不会使水的沸点降低。

排除热导率是引起辣油锅先沸腾的主要原因。根据热导率测试结果，油相的热导率更低，更难从底部获得热量，理论上辣油锅的升温速率比水相更慢。但实际上，大豆油体系的水温上升显著高于纯水体系。牛油体系的水温在前10 min与水系保持一致，温度上升至60 ℃以后突然升温速率显著比水相加快。

排除是辣椒碱和干辣椒的添加促进辣油锅的沸腾速度的猜想。通过在水-油体系中分别添加过量的辣椒碱和干辣椒，结果发现体系的沸腾速率并没有发生显著的改变。这说明油相的加入是导致辣油锅先沸腾的关键因素，而辣椒相关的元素对沸腾的影响可以忽略不计。

通过对比沸腾时间和现象观察后认为，油的低密度和低蒸汽压是使辣油锅先沸腾的关键物性。大豆油和牛油密度都比水低，会浮在水面上。其中，大豆油始终处于液态，由于大豆油的蒸汽压较低，使得油水混合物的饱和蒸汽压比纯水低，降低了空气中水分的分压，使得水的蒸发速率下降，热损失减小，升温速率加快。

牛油在低温下是固体，不影响水在空气中的蒸汽分压，水的蒸发速率在不同牛油含量下都基本一致，一开始牛油-水混合物的升温速率与纯水保持一致。然而，温度升高至65 ℃时，牛油发生熔化。液态的牛油与水难以互溶且密度小于水，导致液态牛油浮在水相上方，此时水-空气相界面将被水-油相界面（液-液相界面）和油-空气相界面所取代，如图17（右）所示。此时，油水混合物的整体蒸汽压下降，水更难向空气中蒸发带走热量。体系内的热损失减小，大部分热量都用于加热水油混合物，从而使水温的上升速率超过纯水体系。