本发明涉及家用电器技术领域，具体涉及一种基于相变储能技术的零水垢模块化储能电热水器。
背景技术：
目前市场上常见的电热水器通常有两种形式，一种是具有储水内胆结构，其内置电加热装置，长期使用导致内胆内部形成严重的水垢，同时水体腐蚀金属加热棒、金属外壳等产生重金属，对人体健康造成极大隐患；另一种为实时加热出水的形式，无法储能蓄热，并且不能利用谷电，节能效果差。此外，采用电加热形式的热水器使用电能直接加热水体，存在漏电和爆裂的隐患。本发明旨在解决上述技术问题。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种零水垢模块化储能电热水器，用于解决现有技术中电热水器形成水垢和重金属、节能效果差的问题。
本发明提供了一种零水垢模块化储能电热水器，其包括：壳体和端盖，壳体一端为开口端，另一端为封闭端，壳体内部形成容纳空间，端盖盖合于壳体的开口端；设置于壳体容纳空间内且相互嵌套的至少一个固-固相变储能模块和至少一个换热模块；设置于壳体容纳空间内的电加热模块，用于对固-固相变储能模块进行加热。
进一步地，固-固相变储能模块为直接填充于容纳腔体内的固-固相变储能材料，换热模块埋设于固-固相变储能材料中。
进一步地，固-固相变储能模块为预制成型后的固-固相变储能材料并与换热模块层叠设置于壳体的容纳空间内。
进一步地，固-固相变储能模块的数量为m个，换热模块的数量为n个，固-固相变储能模块与换热模块交替层叠设置，其中m和n均为大于等于1的整数且m等于n 1。
进一步地，固-固相变储能模块的数量为m个，换热模块的数量为n个，换热模块的两侧均与固固相变储能模块相接触，其中m和n均为大于等于1的整数且m等于2n。
进一步地，固-固相变储能模块的厚度为3-50mm。
进一步地，换热模块为金属盘管，金属盘管具有进水口和出水口，多个换热模块的进水口和出水口分别并联由端盖引出形成总进水口和总出水口。
进一步地，金属盘管为同一平面内的圆形盘管或蛇形盘管。
进一步地，金属盘管的内径为5-10mm。
进一步地，该电热水器还包括温控装置，用于监控固-固相变储能模块的加热温度及出水温度。
进一步地，固-固相变储能模块内设置有导热翅片。
进一步地，电加热模块为沿着换热模块长度方向缠绕设置的电热丝或埋设于固-固相变储能模块内的电热片。
本发明提供的零水垢模块化储能电热水器通过固-固相变储能材料的显热和潜热对水进行加热，避免了直接电加热所带来的水垢积聚和重金属的产生，同时，能够利用谷电对固-固相变储能材料进行加热以储存热量，节能效果好。
上述说明仅是发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的电热水器壳体立体组合示意图；
图2为根据本发明实施例提供的电热水器壳体结构示意图；
图3为根据本发明实施例提供的电热水器端盖结构示意图；
图4为根据本发明实施例提供的电热水器相变储能模块结构示意图；
图5为根据本发明实施例提供的电热水器换热模块、电加热模块和支撑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-5所示，一种零水垢模块化储能电热水器，包括壳体1、端盖2、固-固相变储能模块3、换热模块4和电加热模块5。其中，壳体1为中空腔体结构，内部形成容纳空间，其一端为开口端，另一端为封闭端，壳体1内部形成容纳空间，端盖2盖合于壳体1的开口端；壳体1内部设置有相互嵌套的至少一个固-固相变储能模块3和换热模块4；电加热模块5设置于壳体1内，用于对固-固相变储能模块3进行加热。本发明提供的零水垢模块化储能电热水器，利用电能通过电加热模块5对固-固相变储能模块3进行加热，当冷水流过换热模块4时吸收固-固相变储能模块3储存的热量转变为热水输出。本发明中壳体1和端盖2的材料可以为现有技术中的金属或非金属材料，本领域技术人员可以根据需要自行选择。
在本发明的一些实施例中，固-固相变储能模块3为直接填充于壳体于内部的固-固相变储能材料，换热模块4和电加热模块5埋设于固-固相变储能材料内，此时，固-固相变储能模块3和换热模块4相互嵌套具有较大的接触面积，换热效率高。
在本发明的另一些实施例中，为了便于根据不同的热负荷来调整固-固相变储能模块3和换热模块4的数量，将固-固相变储能模块3由固-固相变储能材料直接填充于壳体1内的方式优化为经预制成型后再安装到壳体1内。该预制成型的过程是将固-固相变储能材料置于成型模具中，利用压制成型的方法将其压制成所需的任意形状，例如柱状、长方体状或其他异形结构。在压制时，固-固相变储能模块3的宽度应比壳体1内腔宽0.5-1mm，以便于固-固相变储能模块3装入壳体1内时，固-固相变储能材料的粉料少量剥离后固-固相变储能模块3和壳体1内部的空隙降至最小。将固-固相变储能材料压制成型有助于降低相变储能材料的纵向热阻，提高吸热和换热效率，同时能够使得相变材料均匀升温，避免过热。根据不同的热负荷需要，固-固相变储能模块3压制成型的厚度为3-50mm，优选厚度为6-10mm，以保证其具备一定强度的同时具有较大的接触面积和良好的导热效果。
在本发明中，固-固相变储能材料为无机水合盐，其中添加成核剂、导热材料和吸附材料，通过真空吸附方式复合形成固-固相变储能材料，在进行压制成型或直接装入壳体1时，需先破碎成粉料。固-固相变储能材料的相变温度为50-55℃，温度峰值小于100℃，运行温度范围安全可靠。
在本发明的实施例中，换热模块4为金属盘管，其可以采用铜、不锈钢或其他金属材料制作。金属盘管具有进水口41和出水口42，多个金属盘管的进水口41并联并由端盖2引出形成总进水口21，多个金属盘管的出水口42并联并由端盖2引出形成总出水口22，总进水口21处设置有进水阀(图中未示出)。金属盘管为在同一平面内形成的圆形或蛇形盘管，本领域技术人员也可根据场地需要选择其他任意形状，此处不作具体限定。金属盘管具有接触面积大、换热效率高的优点。在本发明的实施例中，金属盘管的内径为5-10mm，本领域技术人员可以根据管路压降和传热效率，计算最佳管径和固-固相变储能材料的厚度，以达到最优匹配。
可选地，在金属盘管的一侧或两侧设置有支撑结构6，以防止盘管发生变形。支撑结构6可以为条状金属或非金属材料，其具有一定的刚度。
在本发明的一些实施例中，为适应不同情况的热负荷需要，可以灵活配置预制成型的固-固相变储能模块3和换热模块4的数量，配置方式有如下两种：
(1)固-固相变储能模块3的数量为m个，换热模块4的数量为n个，m和n均为大于等于1的整数，且m等于n 1。在此实施例中，固-固相变储能模块3与换热模块4交替层叠设置，此时每个换热模块4的两侧均与固-固相变储能模块3相接触，换热效率高。在这种配置方式下，可先将m个固-固相变储能模块3和n个换热模块4在壳体1外预先排布好，并进行压制，以使固-固相变储能模块3和换热模块4相互嵌套，结构紧凑，减小彼此间隙，提高换热效率。
(2)固-固相变储能模块3的数量为m个，换热模块4的数量为n个，m和n均为大于等于1的整数，且m等于2n。在此实施例中，固-固相变储能模块3与换热模块4层叠设置，每2个固-固相变储能模块3与1个换热模块4构成一个模组，1个换热模块4位于2个固-固相变储能模块3之间。在这种配置方式下，可先将1个换热模块4和2个固-固相变储能模块3排布好并进行压制，以使固-固相变储能模块3和换热模块4相互嵌套，结构紧凑，减小彼此间隙，提高换热效率。
在本发明的实施例中，电加热模块5用于利用电能对固-固相变储能模块3进行加热。在一种实施方式中，电加热模块5可以是沿着换热模块4金属盘管长度方向缠绕设置的电热丝，将电热丝沿着金属盘管长度方向设置可以通过金属盘管提高导热效率，以使得固-固相变储能材料快速升温；在另一种实施方式中，电加热模块5可以是埋设于固-固相变储能模块3中的电热片，电热片因为表面积大而具有高的导热效率。在本发明中，电加热模块5位于固-固相变储能材料内部，在保证了导热性好的同时，也避免了裸露于外部存在的漏电隐患，此外还可以通过接入漏电保护装置做到进一步保护。为了进一步提高能效比，还可以在固-固相变储能材料内增加导热翅片以提高导热效率。
本发明提供的零水垢模块化储能电热水器，还包括温控装置(图中未示出)，用于调节固-固相变储能模块3的加热温度和出水温度，温控装置包括电控元件、加热测温元件和出水测温元件。
在对固-固相变储能模块3进行加热时，加热测温元件实时检测加热面固-固相变储能材料的温度，防止过热，在接近过热温度时自动停止加热，待固-固相变储能材料温度均匀后继续进行加热，如此分时段直到固-固相变储能材料升温至预设温度停止加热。当使用过程中固-固相变储能材料的降温幅度超过设定值时，自动启动电加热升温达到预设温度。温控装置可以在谷电时段自动加热蓄能，以达到高能效的目的。
在出水阶段，水流经进水阀流入金属盘管，固-固相变储能材料经金属盘管与水流进行热交换升温完成热水输出。出水测温元件检测出水温度，当检测到出口热水温度低于预设出水温度时，电控元件控制进水阀关闭，以保证按照用户需要的温度输出热水。本发明提供的零水垢模块化储能电热水器可提供30-70℃的热水。
进一步地，本发明提供的零水垢模块化储能电热水器还包括设置于壳体内壁和/或外表面的保温层，用于降低热量的自然耗散，进一步降低能耗。保温层可以采用现有技术中的高分子保温材料，本领域技术人员可以根据需要自行选择。此外，在管路、壳体1、端盖2等的接合处可以设置密封元件，如密封垫圈或密封板，以保证密封效果，防止固-固相变储能材料泄漏。
本发明提供的零水垢模块化储能电热水器的工作过程包括储热和放热两个阶段，具体如下：
储热阶段：用户根据需要设定固-固相变储能材料的加热预设温度，温控装置根据该预设温度进行加热，电能经电加热模块5转换为热能并进一步被固-固相变储能材料吸收转变为固-固相变储能材料的显热和潜热。在加热过程中加热测温元件实时检测加热面固-固相变储能材料的温度，防止过热，在接近过热温度时自动停止加热，待固-固相变储能材料温度均匀后继续进行加热，分时段直到固-固相变储能材料升温至加热预设温度停止加热。当使用过程中固-固相变储能材料的降温幅度超过设定值时，自动启动电加热升温达到预设温度。温控装置可以在谷电时段自动加热蓄能，以达到高能效的目的。
放热阶段：水流经进水阀流入金属盘管，固-固相变储能材料的显热和潜热经金属盘管与水流进行热交换升温完成热水输出。出水测温元件检测出水温度，当检测到出口热水温度低于预设出水温度时，电控元件控制进水阀关闭，以保证按照用户需要的温度输出热水。
下面以一具体实例对本发明提供的零水垢模块化储能电热水器进行说明：
在本实施例中，零水垢模块化储能电热水器包括4个固-固相变储能模块3和2个换热模块4，固-固相变储能模块3为厚度8mm、长和宽均为10cm的片状，换热模块4为直径8cm的不锈钢圆形盘管，电加热模块5为沿着盘管长度方向螺旋缠绕的电热丝，盘管内径8mm。每2个固-固相变储能模块3与1个换热模块4为1组，换热模块4位于2个固-固相变储能模块3中间，三者层叠设置并进行压制形成模组。壳体1内部容纳空间的尺寸与2个模组层叠的尺寸相适应，端盖2盖合于壳体1开口端。两个模组的进水口41并联由端盖2引出形成总进水口21，两个模组的出水口42并联由端盖2引出形成总出水口22，进水阀与总进水口21连接。设定加热温度为80℃，温降幅度10℃，温控装置通过分时段加热的方式将固-固相变材料加热至80℃，并当固-固相变材料的温度低于70℃开启加热；设定出水温度为40℃，当出水温度小于40℃时自动关闭进水阀门。
本发明提供的零水垢模块化储能电热水器通过固-固相变储能材料的显热和潜热对水进行加热，水体在流动过程中升温，避免了直接电加热所带来的水垢积聚和重金属的产生，同时，能够利用谷电对固-固相变储能材料进行加热以储存热量，节能效果好。
本发明提供的零水垢模块化储能电热水器采用固-固相变储能材料，其体积小，重量轻，放热均匀，相变体积膨胀率相对于固-液相变材料较小，发生相变时壳体内压强变化小，不易发生壳体鼓胀、泄漏和变形等现象，产品稳定性高，使用寿命长；模块化的布置便于组装，能够根据热负荷自由确定模组数量，使用更灵活，同时模块化的设计不仅提高了换热效率，保证了出水温度和出水量的稳定性，而且实现了流量分配，降低了流速，管路内流动压降损失小，无需外加泵体；温控装置实现了电热水器的自动控制，更加智能化。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是发明的保护范围。
1.一种零水垢模块化储能电热水器，其特征在于，包括：
壳体和端盖，壳体一端为开口端，另一端为封闭端，壳体内部形成容纳空间，端盖盖合于壳体的开口端；
设置于壳体容纳空间内且相互嵌套的至少一个固-固相变储能模块和至少一个换热模块；
设置于壳体容纳空间内的电加热模块，用于对固-固相变储能模块进行加热。
2.根据权利要求1所述的电热水器，其特征在于，所述固-固相变储能模块为直接填充于容纳腔体内的固-固相变储能材料，换热模块埋设于固-固相变储能材料中。
3.根据权利要求1所述的电热水器，其特征在于，所述固-固相变储能模块为预制成型后的固-固相变储能材料并与换热模块层叠设置于壳体的容纳空间内。
4.根据权利要求3所述的电热水器，其特征在于，所述固-固相变储能模块的数量为m个，换热模块的数量为n个，固-固相变储能模块与换热模块交替层叠设置，其中m和n均为大于等于1的整数且m等于n 1。
5.根据权利要求3所述的电热水器，其特征在于，所述固-固相变储能模块的数量为m个，换热模块的数量为n个，换热模块的两侧均与固固相变储能模块相接触，其中m和n均为大于等于1的整数且m等于2n。
6.根据权利要求3所述的电热水器，其特征在于，所述固-固相变储能模块的厚度为3-50mm。
7.根据权利要求1所述的电热水器，其特征在于，所述换热模块为金属盘管，金属盘管具有进水口和出水口，多个换热模块的进水口和出水口分别并联由端盖引出形成总进水口和总出水口。
8.根据权利要求1所述的电热水器，其特征在于，所述金属盘管为同一平面内的圆形盘管或蛇形盘管。
9.根据权利要求7所述的电热水器，其特征在于，所述金属盘管的内径为5-10mm。
10.根据权利要求1-9所述的电热水器，其特征在于，还包括温控装置，用于监控固-固相变储能模块的加热温度及出水温度。
11.根据权利要求1-9所述的电热水器，其特征在于，所述固-固相变储能模块内设置有导热翅片。
12.根据权利要求1-9所述的电热水器，其特征在于，所述电加热模块为沿着换热模块长度方向缠绕设置的电热丝或埋设于固-固相变储能模块内的电热片。
技术总结