Utilization of cold seawater with heat pumps in district heat production

Abstract

This master thesis discusses the effects of cold seawater on the seawater heat pump process in district heat production. This work is a literature study, so the results are based on literature or computational results. The work investigated the properties and effects of seawater in terms of freezing fouling, biological fouling and particle fouling. As the brackish water of the Baltic Sea is much less salty compared to the ocean, the freezing point is close to zero. However, the study deals with tenths of a degree, because they have a considerable effect on the usability of heat pumps and, through this, possibly on Helsinki's energy production. This study also dealt with various heat exchangers that are suitable as evaporators for heat pumps of industrial size. During the study, it was discovered that the shell-and-tube heat exchanger, could be suitable as an evaporator for a seawater heat pump. The shell-and-tube heat exchangers are a commonly used technology in industrial-sized heat pumps, and it is possible to manufacture the tube heat exchanger as a very pressure-resistant structure, even in a large size. The shell-and-tube heat exchanger enables reasonably easy cleaning. The most contaminated liquid should be placed on the side of the pipe so that it is easily accessible for mechanical cleaning. An automatic cleaning system, Taprogge, is available for the tube heat exchanger, so it is not necessarily open or clean chemically as often. There are also other heat exchanger options that can be considered for an industrial-sized seawater heat pump, for example falling film, diffusion bonded and plate-and-shell heat exchangers.

Tämä diplomityö käsittelee kylmän meriveden vaikutuksia merivesilämpöpumppuprosessiin kaukolämmön tuotannossa. Tämä työ on kirjallisuustutkimus, joten tulokset perustuvat kirjallisuuteen tai laskennallisiin tuloksiin. Työssä tutkittiin meriveden ominaisuuksia ja niiden vaikutuksia jäätymisen, biologisen likaantumisen ja partikkelilikaantumiseen. Itämeren ollessa murtovettä ja vähemmän suolaista kuin valtameren vesi, jäätymispiste on lähellä nollaa. Työssä kuitenkin käsitellään lämpötiloja asteen kymmenyksien tarkkuudella, koska niillä on huomattava vaikutus lämpöpumppujen käytettävyyteen ja sitä kautta Helsingin energiantuotantoon. Työssä käydään läpi erilaisia lämmönvaihtimia, jotka soveltuvat teollisuuden kokoluokan lämpöpumppujen höyrystimiksi. Putkilämmönvaihdin yleisesti käytetty tekniikka teollisuuden kokoluokan lämpöpumpuissa ja työssä huomattiin sen olevan sopiva myös merivesilämpöpumppukäyttöön. Putkilämmönvaihdin on mahdollista rakentaa erittäin paineenkestävistä rakenteissa suuressa koossa ja putkirakenne mahdollistaa kohtuullisen helpon puhdistuksen. Putkilämmönvaihtimelle on saatavana automaattinen pallopuhdistusjärjestelmä, jota ei muille lämmönvaihdintyypeille vielä markkinoilta löydy. Putkilämmönvaihdin ei kuitenkaan kestä parhaiten jäätymistä, johon muut esitellyt lämmönvaihdintyypit sopivat paremmin.