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微波爐加熱功能及其能源效率介紹

2020-01-13

張文瑞 資深研究員

工業技術研究院 綠能與環境研究所


微波爐係利用食物中含有液態水,水分子含有電極性,且這些分子可自由震盪之特性;當水分子置於微波傳播空間中,在微波高頻振盪(微波爐常採用2.45 GHz的微波)的電磁場作用下,物體中的電極性分子的方向會隨振盪電場一起振動。一個分子的固有電磁場被改變並影響鄰近分子,於是分子的振動便在分子之間傳遞開來;分子振動就是內能,增加內能就是加熱,微波能令物質中的內能增加,也即是能令物質加熱。另外水分子非對稱型分子結構,會因為微波作用而產生強烈的響應。有的食物本身就有自由的電極性分子,因此可以被微波直接加熱;其他食物只要與水均勻混合,也可以利用水之內能提高,間接地被微波加熱。

 

圖 1、組合式微波爐的加熱原理

 

微波爐作為廚房用具,其原理係透過電介質加熱,可以快速有效地加熱食物。新型的多用途燒烤微波爐不僅提供解凍或再加熱儲存食物,還提供烘焙,烘烤及燒烤等不同的加熱型態,如圖 1所示。 這些新型「快速烹飪」微波爐,具有新穎的功能,例如強制對流、石英或鹵素燈管等元件。使用強制對流,允許微波爐可以重複烘烤或燒烤過程,而食材不至於過熱而燒焦;利用石英或鹵素燈管加熱,提供食材外表顏色產生褐變,與天然炭火燒烤的色澤相近。採用感測器,感知通過食材的紅外線熱量或蒸汽量,以便知道食材何時可以完成,以及烤箱電源何時應該關閉。新型變頻器技術,允許微波可以在兩個不同週期(duty cycle)之間循環,優化烹煮品質,利用變頻技術能夠以半功率連續烹飪,這種技術可以讓食材的烹飪更加均勻。由於烹飪時間顯著縮短,與傳統烤箱比較,燒烤功能微波爐總能耗降低了約三分之二[1]。這種新技術明顯減少廚房產生的熱量,進而節省了夏季的空調負荷;而一些新型微波爐,還包括一些提升能源效率和烹飪性能的複雜功能,如溫度感測器、微波爐的控制機制、以及可變功率裝置等,讓輸入電能儘可能轉換為烹煮食材的熱能,減少能源損失。

新型組合微波爐,結合了傳統感應加熱(induction heating, IH)和微波烹飪技術的特點,並同時發揮它們的特點—以IH組件從外部烹飪食物,並採用微波從內到外烹飪。然而,當在微波爐中烹飪時,食物的烹飪品質,往往會被認為比在傳統爐子中烹飪的食物更不營養。另一種烹飪技術是將紅外線(infrared, IR)與微波加熱技術相結合,這種組合的紅外線技術使傳統烘烤時間減少了75%,同時不會降低烘焙的品質[1]。

微波爐能源效率測試引用IEC 60705[2]或CNS 60705[3],首先量測「微波輸出功率」:在環境溫度23℃±2℃且無對流的試驗室內,以玻璃容器裝水負載1,000g±5g,初始水溫10℃±1℃,放入微波爐內加熱,並量測水溫到達20℃±2℃的時間;然後將電器關機,於60s內量測最終水溫,紀錄加熱時間。利用標準所列公式計算水負載溫升吸收的熱能:微波輸出功率(microwave power output),而能源效率=(微波輸出功率×加熱時間)/加熱過程的耗電量

微波爐另一項重要試驗:多杯試驗,因為微波爐可能因為腔體內微波能量分布不均勻,產生食材部分燒焦、部分沒有熟的問題。試驗方法採用5杯水,每杯裝100ml水,然後加熱一段對應於50kW·s輸出能量的時間。沒有轉盤的產品採用圖 2的放置法,有轉盤放置如圖 3,加熱完畢在30s內量測所有杯子的水溫及溫升,5個杯子溫升最大值減最小值,除以5杯水總平均溫升,其結果U以百分比表示,100%-U即為微波爐的「加熱均勻性」,數值越高代表加熱過程均勻性較佳。

 

圖 2、矩形食物支架上杯子的位置[3]

 

 

圖 3、轉盤上杯子的位置[3]

 

組合微波爐的燒烤功能試驗[4]:測試時應將熱電偶線放置於微波爐爐腔內之幾何中心,關閉爐門加熱5分鐘,量測爐腔內初始溫度T1(℃)、終止溫度T2(℃)及微波爐之消耗電能E(W·h),並計算微波爐燒烤能耗Wc=E/(T1-T2)。


參考文獻
[1] Bansal, Vineyard, and Abdelaziz, Advances in household appliances - A review, Applied Thermal Engineering, 31, p. 3748-3760, 2011.
[2] IEC, IEC 60705:2014, "Household microwave ovens - Methods for measuring performance"
[3] 經濟部標準檢驗局,CNS 60705,家用微波爐性能量測法,2018年。
[4] 經濟部能源局,微波爐節能標章能源效率基準與標示方法,節能標章網站 http://www.energylabel.org.tw/