Pascual Suñer, Alberto
Acero Acero, Jesús (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2024
Resumen: Esta tesis tiene como objetivo principal la mejora de la experiencia de usuario de los electrodomésticos de calentamiento por inducción proponiendo soluciones avanzadas que mejoren el rendimiento y la facilidad de uso de la tecnología actual. Dentro de este marco, se ha investigado el uso de materiales con propiedades electromagnéticas controladas dependientes de la temperatura y se han propuesto diseños de recipientes con autoprotección frente a altas temperaturas basadas en estos materiales. De igual manera, se han implementado mejoras en el modelado electrotérmico del sistema inductor-carga, enfocándose en la incorporación de las no linealidades magnéticas de los materiales y en la simplificación de los modelos para abordar diseños complejos de utensilios de cocina y recipientes multimaterial.
Finalmente, se han desarrollado nuevos utensilios de cocina, para ser usados por las cocinas de inducción, adaptados a procesos culinarios específicos. En concreto, las contribuciones originales de esta tesis doctoral son:
• Recipientes con autorregulación de la sobretemperatura: Se ha estudiado el uso en recipientes para inducción de materiales con propiedades electromagnéticas controladas, en particular, aleaciones con baja temperatura de Curie. Se ha propuesto un método para la caracterización magnética de estos materiales en función de los parámetros de interés (temperatura, intensidad de campo magnético y frecuencia). Además, se ha diseñado recipientes basados en estos materiales que, en combinación con aluminio en disposiciones multicapa, permiten la autorregulación de la temperatura del recipiente sin interferir en el funcionamiento normal de la aplicación.
• Modelado electrotérmico: El análisis y desarrollo de nuevas aplicaciones para inducción domestica requieren conocer el rendimiento electrotérmico del sistema y sus parámetros de funcionamiento, lo cual se suele obtener mediante el modelado del sistema inductor-carga. En esta tesis se han presentado las siguientes propuestas para mejorar las simulaciones de sistemas domésticos de calentamiento por inducción: la simplificación en el modelado de baterías de cocina con insertos (recipientes multimaterial), el acoplamiento entre los modelos electromagnético y térmico, y la inclusión de no linealidades magnéticas.
Por un lado, se ha desarrollado un modelo electromagnético equivalente para recipientes con varios materiales. Este enfoque propone representar estos recipientes como un único material con propiedades electromagnéticas equivalentes, lo cual facilita la caracterización de los recipientes con insertos de aluminio y reduce la complejidad y coste computacional de las simulaciones.
Por otro lado, se ha desarrollado un modelo electrotérmico integrando las partes eléctrica y térmica. Este modelo se ha adaptado para abordar los retos específicos relacionados con el calentamiento doméstico por inducción, incluido el cálculo de los coeficientes de pérdidas térmicas. Asimismo, se ha introducido un método que tiene en cuenta las variaciones de las propiedades magnéticas en relación con la temperatura y la intensidad del campo magnético.
• Diseño de nuevos utensilios de cocina para inducción adaptados a procesos culinarios específicos: En concreto se ha diseñado una carga sumergible para calentamiento por inducción doméstico que permite la preparación de infusiones en la propia taza cerámica donde se consume habitualmente. La carga propuesta tiene la forma de un pequeño disco con paredes laterales en el borde, lo que facilita su inserción o incrustación en recipientes pequeños, como tazas. Esta forma de carga genera un camino de baja reluctancia para el campo magnético y facilita la concentración del mismo en la carga, permitiendo la recepción eficiente de la energía de las placas de inducción comerciales. Comparado con soluciones convencionales para preparación de infusiones como los microondas, este calentador destaca por ser más eficiente y rápido, asegurando una distribución homogénea del calor. En comparación con las teteras, requiere menos tiempo de preparación, y su diseño evita el
desperdicio de líquido y energía debido al llenado excesivo del mismo, lo que lo convierte en una opción más cómoda para el uso diario.
Resumen (otro idioma): The main objective of this thesis is to improve the user experience of induction heating appliances by developing cookware devices with improved properties to traditional ferromagnetic steel cookware. Within this framework, it has been studied the use of materials with controlled temperature-dependant electromagnetic properties, and have been proposed cookware designs with self-protection against high temperatures based on these materials. Likewise, improvements in the electrothermal modeling of the inductor-load system have been implemented, focusing on the incorporation of the magnetic nonlinearities of the materials and on the simplification of the models to address complex cookware designs. Finally, new utensils have been developed for use by induction cooktops adapted to specific culinary processes. Specifically, the original contributions of this PhD dissertation are: - Cookware with overtemperature self-regulation: In the first place, the use of induction cookware of materials with controlled electromagnetic properties, in particular, alloys with low Curie temperature, has been studied. A method for the magnetic characterization of these materials as a function of the induction parameters of interest (temperature, magnetic field strength, and frequency) has been proposed. In addition, cookware devices based on these materials have been designed which, in conjunction with aluminum in multilayer arrangements, allow the self-regulation of the vessel temperature without interfering with the normal operation of the induction application. - Electrothermal modeling: The analysis and development of new applications for domestic induction heating require knowing the electrothermal performance of the system and its operating parameters, which are usually obtained by modeling the inductor-load system. In this thesis the following proposals have been explored to improve the simulations of domestic IH systems: the simplification in the modeling of the cookware with inserts, the coupling between the electromagnetic and thermal models, and the inclusion of magnetic nonlinearities. On the one hand, an equivalent electromagnetic model for multimaterial cookware has been presented. This approach proposes to represent these vessels as a single material with equivalent electromagnetic properties, which facilitates the characterization of cookware with aluminum inserts and reduces the complexity and computational cost of their simulations. On the other hand, an electrothermal model integrating the electrical and thermal parts has been developed. This model has been adapted to address the specific challenges related to domestic induction heating, including the calculation of thermal loss coefficients. In addition, it has been introduced a method that takes into account the variations of the magnetic properties with temperature and magnetic field strength. - Design of new induction utensils adapted to specific culinary processes: Specifically, a submersible load has been designed for domestic induction heating that allows the preparation of infusions in the ceramic mug where it is going to be consumed. The proposed load has the shape of a small disk with sidewalls on the edge, which facilitates its insertion or embedding in small containers, such as mugs. This shape of load generates a low reluctance path for the magnetic field and facilitates the concentration of the magnetic field in the load, allowing efficient reception of energy from commercial induction cooktops. Compared to conventional solutions for infusion preparation, such as microwaves, this proposal stands out for being more efficient and faster, ensuring homogeneous heat distribution. Compared to kettles, it requires less preparation time, and its design avoids wasting liquid and energy due to overfilling, making it a more convenient option for daily use.
Finalmente, se han desarrollado nuevos utensilios de cocina, para ser usados por las cocinas de inducción, adaptados a procesos culinarios específicos. En concreto, las contribuciones originales de esta tesis doctoral son:
• Recipientes con autorregulación de la sobretemperatura: Se ha estudiado el uso en recipientes para inducción de materiales con propiedades electromagnéticas controladas, en particular, aleaciones con baja temperatura de Curie. Se ha propuesto un método para la caracterización magnética de estos materiales en función de los parámetros de interés (temperatura, intensidad de campo magnético y frecuencia). Además, se ha diseñado recipientes basados en estos materiales que, en combinación con aluminio en disposiciones multicapa, permiten la autorregulación de la temperatura del recipiente sin interferir en el funcionamiento normal de la aplicación.
• Modelado electrotérmico: El análisis y desarrollo de nuevas aplicaciones para inducción domestica requieren conocer el rendimiento electrotérmico del sistema y sus parámetros de funcionamiento, lo cual se suele obtener mediante el modelado del sistema inductor-carga. En esta tesis se han presentado las siguientes propuestas para mejorar las simulaciones de sistemas domésticos de calentamiento por inducción: la simplificación en el modelado de baterías de cocina con insertos (recipientes multimaterial), el acoplamiento entre los modelos electromagnético y térmico, y la inclusión de no linealidades magnéticas.
Por un lado, se ha desarrollado un modelo electromagnético equivalente para recipientes con varios materiales. Este enfoque propone representar estos recipientes como un único material con propiedades electromagnéticas equivalentes, lo cual facilita la caracterización de los recipientes con insertos de aluminio y reduce la complejidad y coste computacional de las simulaciones.
Por otro lado, se ha desarrollado un modelo electrotérmico integrando las partes eléctrica y térmica. Este modelo se ha adaptado para abordar los retos específicos relacionados con el calentamiento doméstico por inducción, incluido el cálculo de los coeficientes de pérdidas térmicas. Asimismo, se ha introducido un método que tiene en cuenta las variaciones de las propiedades magnéticas en relación con la temperatura y la intensidad del campo magnético.
• Diseño de nuevos utensilios de cocina para inducción adaptados a procesos culinarios específicos: En concreto se ha diseñado una carga sumergible para calentamiento por inducción doméstico que permite la preparación de infusiones en la propia taza cerámica donde se consume habitualmente. La carga propuesta tiene la forma de un pequeño disco con paredes laterales en el borde, lo que facilita su inserción o incrustación en recipientes pequeños, como tazas. Esta forma de carga genera un camino de baja reluctancia para el campo magnético y facilita la concentración del mismo en la carga, permitiendo la recepción eficiente de la energía de las placas de inducción comerciales. Comparado con soluciones convencionales para preparación de infusiones como los microondas, este calentador destaca por ser más eficiente y rápido, asegurando una distribución homogénea del calor. En comparación con las teteras, requiere menos tiempo de preparación, y su diseño evita el
desperdicio de líquido y energía debido al llenado excesivo del mismo, lo que lo convierte en una opción más cómoda para el uso diario.
Resumen (otro idioma): The main objective of this thesis is to improve the user experience of induction heating appliances by developing cookware devices with improved properties to traditional ferromagnetic steel cookware. Within this framework, it has been studied the use of materials with controlled temperature-dependant electromagnetic properties, and have been proposed cookware designs with self-protection against high temperatures based on these materials. Likewise, improvements in the electrothermal modeling of the inductor-load system have been implemented, focusing on the incorporation of the magnetic nonlinearities of the materials and on the simplification of the models to address complex cookware designs. Finally, new utensils have been developed for use by induction cooktops adapted to specific culinary processes. Specifically, the original contributions of this PhD dissertation are: - Cookware with overtemperature self-regulation: In the first place, the use of induction cookware of materials with controlled electromagnetic properties, in particular, alloys with low Curie temperature, has been studied. A method for the magnetic characterization of these materials as a function of the induction parameters of interest (temperature, magnetic field strength, and frequency) has been proposed. In addition, cookware devices based on these materials have been designed which, in conjunction with aluminum in multilayer arrangements, allow the self-regulation of the vessel temperature without interfering with the normal operation of the induction application. - Electrothermal modeling: The analysis and development of new applications for domestic induction heating require knowing the electrothermal performance of the system and its operating parameters, which are usually obtained by modeling the inductor-load system. In this thesis the following proposals have been explored to improve the simulations of domestic IH systems: the simplification in the modeling of the cookware with inserts, the coupling between the electromagnetic and thermal models, and the inclusion of magnetic nonlinearities. On the one hand, an equivalent electromagnetic model for multimaterial cookware has been presented. This approach proposes to represent these vessels as a single material with equivalent electromagnetic properties, which facilitates the characterization of cookware with aluminum inserts and reduces the complexity and computational cost of their simulations. On the other hand, an electrothermal model integrating the electrical and thermal parts has been developed. This model has been adapted to address the specific challenges related to domestic induction heating, including the calculation of thermal loss coefficients. In addition, it has been introduced a method that takes into account the variations of the magnetic properties with temperature and magnetic field strength. - Design of new induction utensils adapted to specific culinary processes: Specifically, a submersible load has been designed for domestic induction heating that allows the preparation of infusions in the ceramic mug where it is going to be consumed. The proposed load has the shape of a small disk with sidewalls on the edge, which facilitates its insertion or embedding in small containers, such as mugs. This shape of load generates a low reluctance path for the magnetic field and facilitates the concentration of the magnetic field in the load, allowing efficient reception of energy from commercial induction cooktops. Compared to conventional solutions for infusion preparation, such as microwaves, this proposal stands out for being more efficient and faster, ensuring homogeneous heat distribution. Compared to kettles, it requires less preparation time, and its design avoids wasting liquid and energy due to overfilling, making it a more convenient option for daily use.
Pal. clave: campos electromagnéticos ; inducción ; electromagnetismo ; electrónica
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Electrónica
Plan(es): Plan 513
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 24 05 2024
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2024
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Fecha de embargo : 2026-05-24
Todos los derechos reservados
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Registro creado el 2024-07-11, última modificación el 2024-07-11
