System-Level Optimization of a Closed Loop Cooling System for Energy Efficiency : An Aspen Plus simulation of temperature programs, fouling effects and mitigation in plate heat exchangers and centrifugal pumps

Abstract

The increasing global demand for energy and the need to reduce industrial emissions have made energy efficiency a central focus in process industries. Therefore, this thesis investigates system-level optimization strategies for a closed-loop cooling system utilizing seawater. A system commonly used in heavy process industries, with a focus on both design and operational improvements. The study evaluates how tightening the temperature approach in a plate heat exchanger, e.g lowering the process water outlet temperature from 40 °C to 37 °C impacts the sizing of equipment, pump performance, energy and water consumption and CO₂ emissions. Simulations show that reducing the temperature of the process water can decrease the pumping energy by 14%. Even if production emissions increase by 34%, operational emissions remain the main contributor to the overall footprint and can be reduced by 15% annually. As a result, the total footprint decreases over time, with a payback period of approximately 3 months. However, this approach also increases seawater consumption by 18% and capital expenditure by 14%, due to the need for larger heat exchanger areas and upgraded pump designs. Since seawater is the main contributor to total operating costs, tighter temperature approaches are not economically feasible.

The thesis further analyzes the effects of seawater fouling in plate heat exchanger and effects on system performance. Fouling reduces heat transfer efficiency and increases pressure drop, resulting in higher pumping energy demand and seawater consumption. The results indicate that a 10% reduction in heat transfer performance can increase process water temperature by approximately 1 °C and pressure drop by about 12%, while mitigation through increased seawater flow may rise operating costs by up to 31% and pressure drop by more than 50%. Lastly, the analysis shows that performing cleaning-in-place (CIP) at a 5% k-margin, rather than 10%, could reduce annual operating costs by approximately 0,5 MEUR and better maintaining system performance.

Overall, the results in this study highlight that successful optimization of industrial cooling systems requires balancing energy efficiency, economic performance and fouling management to achieve sustainable system operations.

Popular Abstract (Swedish)

Industrin står idag för drygt en tredjedel av den globala energianvändningen, som dessutom bidrar med stora koldioxidutsläpp i en tid där klimatet kräver att vi sänker utsläppen drastiskt. Denna uppsats handlar om att undersöka två olika sätt att minska energianvändningen i en industrianläggning, ett ämne som känns särskilt relevant i dagens omvärldsläge.

Studien baseras på ett fall från Alfa Laval, med en industrianläggning i Mellanöstern som utgångspunkt. Anläggningen använder ett slutet kylsystem där havsvatten kyler ner processvattnet, som i sin tur håller produktionen på rätt temperatur. Systemet består av tre plattvärmeväxlare, alltså utrustning som överför värme mellan två vätskor utan att de blandas, samt pumpar på varje sida. Frågan vi ställde oss var enkel: går det att göra det här systemet mer energieffektivt? Vi försökte svara på frågan genom att undersöka två strategier som Alfa Laval föreslog.

Den första strategin handlade om att sänka temperaturen på processvattnet med upp till tre grader, för att på så vis kunna minska energibehovet i pumpen. Resultaten visade att pumpenergin minskade för varje grad och nådde en minskning på 14% vid lägst temperatur, och de operativa koldioxidutsläppen minskade för varje grad. Trots att utsläppen från själva tillverkningen av den större utrustningen ökade med 34%, domineras de totala koldioxidutsläppen av de operativa utsläppen, vilket innebär att systemet på lång sikt bidrar till en minskning av CO₂-utsläpp för de lägre temperaturerna jämfört med originalfallet. Däremot ökade havsvattenförbrukningen med lägre temperaturer, vilket gjorde att kostnaden för ökat havsvattenflöde dominerade ut energibesparingarna, förutom vid 39°C som visade sig vara en ekonomisk sweet spot. Det resultatet gäller dock specifikt för det här systemet, men indikerar ändå något viktigt: att ifrågasätta tumregler och optimera sitt system kan löna sig.

Den andra strategin handlade om beläggning av mineraler och mikroorganismer i plattvärmeväxlarna, något som försämrar kylkapaciteten över tid. Vi undersökte hur beläggning påverkar systemet och vad som händer när man försöker motverka det genom att öka havsvattenflödet. Redan vid den rekommenderade rengöringsgränsen hade värmeöverföringen minskat med 10%, processvattnet blivit ungefär en grad varmare och tryckfallet ökat med 12%. När systemet försöker kompensera genom att pumpa mer havsvatten stiger de operativa kostnaderna med 31% och trycket mer än 50% vid denna gräns, och över denna gräns räcker inte pumpens kapacitet till längre. Slutligen visade analysen att om man rengör plattvärmeväxlarna lite oftare, innan beläggningen hunnit byggas upp för mycket, kan driftskostnaderna minska med ungefär en halv miljon euro per år på grund av minskad energianvändning, samtidigt som systemet håller sig i bättre skick.

Sammantaget visar den här studien att det inte finns någon enkel lösning för att effektivisera industriella kylsystem. Det handlar istället om att hitta rätt balans mellan energieffektivitet, ekonomi och underhåll, och att våga ifrågasätta hur saker alltid har gjorts.

• author: Molander, Ingrid and Vedlugaite, Belinda
• supervisor: Ola Wallberg
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Energy efficiency, Aspen Plus, Temperature program, Fouling, Process optimization, Chemical engineering
• language: English
• id: 9239663
• date added to LUP: 2026-06-22 08:58:25
• date last changed: 2026-06-22 08:58:25