Drop-in replacement of R22 in heat pumps used for district heating — influence of equipment and property limitations

• Published in: International journal of refrigeration 2001-07, Vol.24 (7), p.660-675
• Main Authors: Gabrielii, Cecilia, Vamling, Lennart
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Applied sciences; Chauffage urbain; Compressors; Computer simulation; Devices using thermal energy; District heating; District heating and refrigerating; Drop-in; Energy; Energy. Thermal use of fuels; Evaporators; Exact sciences and technology; Frigorigène; Heat pump; Heat pumps; Heating, air conditioning and ventilation; Optimization; Pompe à chaleur; R22; Refrigerant; Refrigerants; Refrigerating engineering; Refrigerating engineering. Cryogenics. Food conservation; Remplacement immédiat; Replacement; Space heating. Hot water; Specific heat; Substitut
• ISSN: 0140-7007; 1879-2081
• DOI: 10.1016/S0140-7007(00)00083-9

In Swedish district heating systems several large (25 MW) turbo-compressor driven heat pumps using R22 are installed. The only commercially available alternative is R134a, but its use could decrease the heating capacity by 35%. In this paper a method for finding the best working fluid for a specific heat pump plant is presented, and applied to a district heating plant. First, a screening is made among almost 2000 mixtures, using criteria such as condenser pressure, Mach number and temperature glide. Simulations of the plant are then made to investigate the change in heating capacity and COP when using a mixture instead of R134a. The results show that there are mixtures that can offer a substantially higher heating capacity than R134a, but there is a decrease in COP. The importance of considering the limiting parameters of the heat pump, such as maximum volume flow to each compressor stage and minimum evaporator pressure, is shown. Plusieurs systèmes de chauffage urbain suédois utilisent des pompes à chaleur au R22 entraı̂nées par des turbocompresseurs de grande puissance (25 MW). Le seul frigorigène de remplacement disponible dans le commerce est le R134a, mais son utilisation pourrait diminuer la puissance calorifique de 35%. Cette communication décrit des recherches destinées à sélectionner le meilleur fluide actif pour un système à pompe à chaleur donné, dans une installation de chauffage urbain. Les auteurs ont étudié près de 2000 mélanges, en examinant des critères tels que la pression du condenseur, le nombre de Mach et le glissement de température. Ils ont effectué des simulations d'installations afin d'étudier les changements de puissance calorifique et le COP lorsqu'on utilise un mélange au lieu du R134a. Les résultats montrent que certains mélanges permettent d'obtenir une puissance calorifique de loin supérieure à celle obtenue avec le R134a, mais que le COP est diminué. Les auteurs soulignent l'importance des paramètres limitant la performance de la pompe à chaleur, tels que le débit maximal dans chaque étage et la pression d'évaporation minimale.