Tekstil terbiye işletmelerinin enerji, ekserji ve eksergoekonomik analiz yöntemlerinin uygulanmasıyla performansının belirlenmesi
Performance evaluation of textile finishing mills using energy, exergy and exergoeconomic analysis methods
Yazar: AHMET ÇAY
Danışman: PROF. DR. ARİF HEPBAŞLI ; PROF. DR. IŞIK TARAKÇIOĞLU
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Ekserji analizi = Exergy analysis ; Enerji = Energy

Özet:
Ekserji analizi, ısıl sistemlerinin analizi, tasarımı ve optimizasyonu için termodinamiğin ikinci yasasıyla birlikte kütle ve enerjinin korunumu prensiplerini kullanan etkin bir yöntemdir. Analiz edilen süreçlerin ve sistemlerin termodinamik bakımdan eksikliklerinin nedenlerini nicel olarak ortaya çıkarıp, değerlendirmek için kullanılmaktadır. Mühendislik uygulamalarında sistemlerin ve süreçlerin ekserji analizleriyle saptanan termodinamik iyileştirme potansiyellerinin yanı sıra ekonomik kıstasların da göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bu nedenle termodinamik ve ekonomi prensiplerini birlikte değerlendiren eksergoekonomik analiz yöntemleri geliştirilmiştir. Özgül Ekserji Maliyeti (SPECO) ve Ekserji-Maliyet-Enerji-Kütle (EXCEM) yöntemleri, en yaygın olarak kullanılan eksergoekonomik analiz yöntemlerindendir.Tekstil terbiye işletmelerinin enerji analizleri üzerine literatürde bir çok çalışma bulunmasına rağmen, ekserji ve eksergoekonomik analiz ve performans değerlendirmesine ilişkin herhangi bir çalışmaya açık literatürde rastlanmamıştır. Bu tez çalışmasının amacı, performans değerlendirmesi, kıyaslama ve iyileştirme amaçları bakımından, tüm sistem ile sistem alt bileşenlerinin değerlendirilmesi için tekstil terbiye işletmelerinde en çok enerji tüketen işlemler olan çektirme yöntemine göre aplikasyon ve kurutma işlemlerinin geniş kapsamlı enerji, ekserji ve eksergoekonomik analizinin yapılmasıdır.Çektirme yöntemine göre aplikasyon işlemlerinin analizinde işlem parametrelerinin özgül ekserji tüketimi ve tahribine olan etkileri incelenmiştir. Ek olarak, pamuklu ve poliester kumaşların terbiye işlemlerine ait bir vaka analizi de gerçekleştirilmiştir. İşlem sıcaklığı, süresi, su giriş sıcaklığı ve flotte oranı özgül ekserji tahribini etkileyen temel parametrelerdir. Kumaşın beraberinde taşıdığı su (carry-over) oranının özgül ekserji tahribine etkisi de ayrıca incelenmiştir. Pamuklu kumaşların terbiyesinde ortaya çıkan toplam özgül ekserji tahribinin % 23 ve % 50'sini, sırasıyla ağartma ve yıkama işlemleri oluştururken, poliester kumaşların terbiyesinde % 32'lik payla boyama adımı en yüksek özgül ekserji tahribini ortaya çıkarmaktadır. Çektirme yöntemine göre terbiye işlemlerinin ekserji verimlerinin proses parametrelerine bağlı olarak % 4,6 ile % 34,8 arasında değiştiği saptanmıştır.Kurutma işlemlerinin analizinde, direkt doğal gaz ısıtmalı (DGIR) ve kızgın yağ ısıtmalı (KYIR) ramözler için genelleştirilmiş kontrol hacimleri oluşturularak ekserjetik ve eksergoekonomik modelleri sunulmuştur. Ramözün ilk kamaralarında, kurutma sabit hız periyodunda olduğundan özgül ekserji tahribi daha düşüktür. Son kamaralara doğru gidildikçe, sırasıyla birinci ve ikinci azalan-hız periyotları gerçekleşmeye başladığından özgül ekserji tahribi giderek artmakta, son kamarada en yüksek değerine ulaşmaktadır.DGIR'de tersinmezlikler bileşen bazında incelendiğinde, en yüksek ekserji tahribi akımının brülörde ortaya çıktığı, bunu karışma kısmının takip ettiği ortaya konmuştur. KYIR'de ise en yüksek ekserji tahribi akımının kızgın yağ kazanında ortaya çıktığı görülmüştür. Isı değiştirici kısmı da toplam ekserji tahribi akımının önemli bir kısmını oluşturan diğer bir bileşendir. DGIR'ün toplam sistem enerji ve ekserji verimi, atık hava nemine bağlı olarak sırasıyla % 27,9 ile % 57,1 ve % 8,5 ile % 17,5 arasında değişmektedir. KYIR'ün toplam sistem enerji ve ekserji verimleri ise, atık hava nemine bağlı olarak, sırasıyla, % 21,6 ile % 43,9 ve % 6,8 ile % 14,0'dır ve DGIR'den daha düşüktür.Kurutma işlemlerinin eksergoeokonomik analizi hem SPECO hem de EXCEM yöntemine göre gerçekleştirilmiştir. Buharlaştırılan suyun ekserji maliyeti DGIR ve KYIR için, sırasıyla, 0,23 US$/GJ ile 0,26 US$/GJ ve 0,25 US$/GJ ile 0,29 US$/GJ arasında değişmektedir. KYIR'de ekserji maliyetleri daha yüksektir.Bu tez çalışması ile, tekstil terbiye süreçlerindeki ekserji kayıpları ve iyileştirme potansiyelleri ile ekserji verimleri ilk kez saptanmış, ekserjetik ve eksergoekonomik modelleme gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Exergy analysis is an effective method that uses the second law of thermodynamics as well as the mass and energy conservation for the analysis, design and optimization of thermal systems. It is employed to detect and to evaluate quantitatively the causes of the thermodynamic imperfection of the processes and systems. On the other hand, economic criteria should be also taken into account as well as the thermodynamic improvement potentials determined by exergy analysis for systems and processes in engineering applications. For this purpose various exergoeconomic analysis methods have been developed. Among these Specific Exergy Costing (SPECO) and Exergy-Cost-Energy-Mass (EXCEM) are the most common used methods.Although many studies have been undertaken on the energy analysis of textile finishing mills, no studies have appeared in the open literature to conduct exergy and exergoeconomic analysis and performance evaluation. The main purpose of this thesis are twofold, namely (i) to conduct a comprehensive energy, exergy and exergoeconomic analysis of exhaustion finishing and drying processes of textile finishing mills, in which the highest energy consumption occurs, and (ii) to assess the whole system along with its sub-components for performance evaluation, comparison and elucidating potentials for improvement.In the analysis of exhaustion finishing, the effects of the process parameters on the exergy consumption and destruction rates were addressed. Additionally, a case study for cotton and polyester finishing processes was performed. The process temperature and time, water inlet temperature and liquor ratio were found to be the main parameters affecting exergy destruction rates. The effects of carry-over on exergy destruction rates were also investigated. It was shown that, 23 % and 50 % of total exergy destruction rate occurred due to the bleaching and washing steps for cotton finishing, respectively, while 32 % of total was accounted for the dyeing step of polyester finishing. The exergy efficiency of the finishing processes ranged from 4.6 % to 34.8 % depending on the process variables.While analyzing the drying processes, generalized control volumes of direct gas heated and hot oil heated stenters were created and exergy and exergoeconomic models were presented. In the initial chambers of the stenter, specific exergy destruction rates were lower due to the constant-rate period of drying. At the further chambers, specific exergy destruction rates increased gradually since falling-rate period of the drying realize, and reached the highest values at the last chamber.It was revealed that the highest exergy destruction rate was observed in the combustion chamber of the direct gas heated stenter and the mixing unit was arised to be the second significant sub-component. However, in the hot oil heated stenter, the hot oil boiler is the sub-component with the highest exergy destruction rate. Heat exchanger sub-unit is also of a great importance for the total destruction. The total system energy and exergy efficiency values of the direct gas heated stenter were calculated to vary between 27.9 % to 57.1 % and 8.5 % to 17.5 %, respectively, depending on the exhaust air humidity. Those of the hot oil heated stenters were found to be 21.6 % to 43.9 % and 6.8 to 14.0 %, respectively.Exergoeconomic analyses of drying process were conducted using both SPECO and EXCEM methods. The exergy costs of evaporation was obtained to be 0.23 US$/GJ to 0.26 US$/GJ for the direct gas heated stenter and 0.25 US$/GJ to 0.29 US$/GJ for the hot oil heated stenter. Hot oil heated stenter types caused higher exergy costs as well as higher irreversibilities.