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目前，超高溫殺菌換熱器得到廣泛的應用，熱殺菌的方式有效保證了牛奶的營養物質和保質期。ANSARI等設計并試驗了一種三管螺旋超高溫牛奶滅菌器的殺菌性能，研究發現滅菌后的牛奶在2個月內不會發生劇烈的顏色變化和凝膠化。高雪峰等利用改進的滿意度函數，優化超高溫殺菌工藝參數，在保證牛奶蛋白質和纖維素較少流失的前提下，縮短生產周期，降低能耗。牛奶殺菌換熱器的研究重點集中于優化超高溫殺菌工藝流程和提高牛奶的殺菌性能，但換熱器環境影響的研究非常缺乏，導致無法定量化牛奶殺菌換熱器的環境影響，不能全面準確評估牛奶殺菌換熱器的綠色性能。本文基于生命周期評價理論(Life Cycle Assessment，LCA)，結合蒙特卡洛不確定性方法，通過研究換熱器設計和隨機2類參數變化導致的不同環境影響，探究換熱器在生命周期過程中環境影響不確定性，為實現低碳綠色的乳品超高溫殺菌換熱器提供理論依據和設計指導。

環境影響評價過程中不確定性分為認知和隨機2類。認知不確定性是由專業知識缺乏或者信息不完全而造成。例如，由于設計人員根據專業知識選擇不同的換熱管長度、管外徑以及管板利用率等，相應換熱器質量及環境影響會有顯著不同。而隨機不確定性是制造、安裝或測量等導致。例如，換熱管在加工過后不會得到完全相同的外徑尺寸，測量誤差或加工誤差會使換熱管直徑呈正態分布。除此之外，污垢熱阻、不銹鋼密度和導熱系數這些參數的量化通常是由試驗室條件下大量實測數據得到，由于測量和計算上的誤差，這些參數具有隨機不確定性。因此，研究采用蒙特卡洛抽樣方法，隨機抽取各自分布范圍內變量參數值，通過計算生命周期環境影響的不確定性，為最終結果的解釋提供理論依據。

基于蒙特卡洛抽樣的不確定性計算步驟如圖1所示。確定換熱器長度L為2，3 m；換熱管外徑Do為0.025，0.032，0.038，0.045 m；管板利用率Tuse為0.70，0.75。將這3個參數進行全因子組合，得到16組不同設計參數的換熱器。在每一組設計條件下，確定輸入變量隨機變化范圍或分布，如表1所示。換熱管外徑、不銹鋼密度、不銹鋼導熱系數均服從正態分布，污垢熱阻假設服從均勻分布。將產生的輸入參數變量代入換熱器設計模型和矩陣LCA模型中，得到總環境影響指標E。根據環境影響計算結果，繪制箱線圖和密度曲線圖等，進行不確定性分析。

生命周期評價是一種量化評估產品或工藝的環境影響負荷方法，分析從原材料獲取到生產、使用、報廢處理、回收和最終處置整個生命周期階段的影響，已經得到廣泛應用。生命周期評價方法分為4個步驟：目標與范圍的定義、清單分析、影響評價、結果解釋。

選取乳品超高溫殺菌的管式換熱器作為研究對象，對乳品經預熱后進入換熱器超高溫殺菌這一過程進行研究。目的是對由于設計和隨機不確定性導致不同設計尺寸換熱器設備的環境影響進行評價，確定換熱器設備在生命周期中主要環境影響階段，并對換熱器設計方案提出改進建議。功能單位定義為將35 m3/h的牛奶從85 ℃加熱到136 ℃超高溫殺菌的管式換熱器。假設每日工作8 h，每年工作300 d，工作壽命20 a，則換熱器在全生命周期中處理的物料總量為1.74×109 kg。

研究的系統邊界，包括原材料生產，換熱器制造、使用、維修清洗和廢棄處理5個階段。原材料生產階段指不銹鋼材料的生產制造階段；制造階段是換熱器設備各零部件及整體的制造和安裝過程；使用階段是牛奶殺菌過程；維修清洗階段是由于牛奶易產生奶垢，因此每次運行設備后都需要清洗；廢棄處理階段主要考慮不銹鋼的回收循環利用和廢棄鋼鐵的填埋過程。

清單分析是對產品整個生命周期的能源輸入、資源消耗以及廢棄物排放的數據進行收集計算的過程。數據來源包括中國生命周期數據庫(Chinese Life Cycle Database，CLCD)和Ecoinvent數據庫。

在生產制造階段，管式換熱器設備主要有不銹鋼管經加工焊接而成。由于數據庫中沒有合適的不銹鋼管數據，不能滿足實際復雜情況。因此根據查找的企業環評資料，調查不銹鋼管的制作工藝流程，所涉及的原材料為硝酸、氫氟酸、黃油，石灰和水，能源為天然氣和電。通過換算得到不銹鋼管制造過程中能源和資源消耗情況，耗電為0.802 8 MJ/kg。

使用階段是換熱器產生排放的主要階段。選擇換熱介質是140 ℃的加熱蒸汽，該數據是采用eBalance中的背景數據庫，代表國內典型鍋爐生產廠家生產鍋爐的平均技術參數。所需蒸汽是由1小時生產1噸蒸汽的單筒縱置式蒸汽鍋爐(DZL1型)燃燒Ⅱ類煙煤產生。按照研究工作時長，換熱器使用階段所需蒸汽用量為1.8×108 kg。同時考慮將1臺功率為2.5 kW型號為BAW150的離心奶泵作為輸入泵，則在使用階段耗電量為1.2×105 kW·h。

在維修清洗階段，主要清洗方法是使用工業用水、50%的氫氧化鈉、58%的硝酸依次進行清洗，最后再使用工業用水進行沖洗，直到沖洗后水的pH值為中性。清洗時間以及清洗用量均采用文獻中的數值，清洗頻率一般每年40～50次。因此維護清洗階段工業用水量為1.7×105 kg，50%氫氧化鈉用量為1.3×105 kg，58%硝酸用量為1.1×105 kg。

在廢棄處理階段，主要考慮不銹鋼的回收處理，60%的不銹鋼采用熔化爐熔化為鐵水循環再利用，剩下的不銹鋼采用填埋處理。選擇GW-1-500/1-JJ型號的熔化爐，功率為750 kW/t，則廢棄處理階段耗電量為1 526 kW·h。

影響評價是根據清單數據對產品造成的環境影響進行定量化的過程。使用矩陣法生命周期評價，在R語言中計算換熱器的LCA。影響評價包括4個步驟：分類、特征化，標準化和加權。

分類是將環境影響因子劃分到不同環境影響類別中，環境影響因子是各個階段產生的資源消耗和排放物。特征化是選取當量物質并根據其特征化因子將不同環境影響因子轉化為該當量物質的過程。根據中點環境影響評價方法，選擇8種環境影響類別：(1)初級能源消耗潛值(Primary Energy Demand，PED)；(2)全球變暖潛值(Global Warming Potential，GWP)；(3)酸化潛值(Acidification Potential，AP)；(4)富營養化潛值(Eutrophication Potential，EP)；(5)中國資源消耗潛值(Chinese Resource Depletion Potential，CADP)；(6)光化學污染(Photochemical Oxidation Potential，POCP)；(7)人體損害潛值(Human Toxicity Potential，HTP)；(8)可吸入無機物(Respiratory Inorganice，RI)。標準化是把不同環境影響類別的當量物質進行統一，根據特征化結果與標準化基準值的比值確定出各個環境影響類別結果的相對大小。選取1990年環境影響潛值標準空間均量基準，查閱相關文獻，得到不同環境影響類型的標準化基準值。加權是標準化結果乘以權重因子，得到最終的環境影響指標。加權因子的確定是根據層次分析法中方根法求得，計算過程在R軟件中實現。各環境影響類型，以及標準化基準值和加權因子如表2所示。

結果解釋是根據評價結果對換熱器的生命周期各階段分析，并提出改進措施和建議。

當換熱管外徑為0.025 m、管板利用率為0.70和換熱管長為2 m時，換熱器生命周期各階段的環境影響結果如表3所示。除廢棄處理階段由于回收廢棄材料對環境產生正面影響外，使用階段因為工作時間很長，蒸汽以及其他資源能源的使用過大，導致環境影響占比超過99%。生產制造階段，由于使用不銹鋼材料，CADP占本階段全部環境影響的99.8%。清洗階段由于使用硝酸和氫氧化鈉作為清洗劑，而清洗劑生產需要消耗大量的煤，對PED、GWP影響很大，分別占本階段總環境影響的59.4%和18.8%。在其他不同設計參數條件下，這些環境影響比例變化很小。

由于換熱管外徑、長度以及管板利用率的變化，對換熱器使用和清洗階段的環境影響結果沒有不確定性影響，因此重點探討生產制造和廢棄處理階段的環境影響，如圖2所示。橫軸代表換熱器生產制造和廢棄處理2個階段，縱軸代表換熱器總環境影響指標E。總環境影響指標越大則對環境造成越大的影響。

圖2(a)表示換熱器管外徑對換熱器總環境的影響。在生產制造階段，管外徑越大，換熱器對環境的影響越大。當管外徑為0.025 m時，換熱器總環境影響指標的波動較小，指標值比較集中，分布呈現左偏態。當管外徑增大到0.045 m時，E分布變得非常分散，且呈現左偏態，上限達到210.8。因此，總體上換熱管選取小的管徑會有小的環境影響，環境影響的不確定性也較小。在廢棄處理階段，管外徑越大，對環境的正影響越大。

圖2(b)表示換熱器管板利用率對于換熱器總環境影響。在生產制造階段，當管板利用率為0.70和0.75時，E的中位數分別為106.5和105.2，略有降低。這是因為管板利用率越大，筒體的公稱直徑越小，相應的換熱器質量越小，因此換熱器對環境的影響越小。此外，管板利用率的提高也有助于減少環境影響的不確定性。在廢棄處理階段，管板利用率越大，對環境的正影響越小。

圖2(c)表示換熱管長對于換熱器總環境影響。在生產制造階段，管長越長，換熱管根數越少，換熱器質量越小，換熱器對環境的影響越小，E的中位數在換熱管長為2 m和3 m時分別為118.2和101.6。當管長為2 m時，出現超出上限的異常值。在廢棄處理階段，呈現與生產制造階段相反的現象，管長越長，對環境的正影響越小。

如上所述，換熱器質量是影響最終總環境的主要因素，換熱器質量越大，不銹鋼管的生產過程中能源資源消耗量越大，導致對環境影響越大。廢棄階段是采用60%的廢棄鋼鐵熔化成鐵水的回收方式。換熱器質量越大，回收的鐵水越多，對環境造成的正面影響越大。因此，圖2中生產制造階段和廢棄處理階段會呈現相反的現象。此外，圖2中異常值的出現是由于管板利用率、換熱管外徑和長度這3個參數會影響筒體的公稱直徑。管板利用率越小，公稱直徑越大；換熱管的外徑越大，公稱直徑越大；換熱管的長度越小，則換熱管的根數增加，公稱直徑越大。筒體的公稱直徑越大導致換熱器對環境影響越大，當個別出現極大的筒體公稱直徑時就會出現超出上限的異常值。此外，當3個參數組合得到的筒體公稱直徑大部分都集中在同一個數值上，則導致環境影響數值也相對集中，箱線圖出現上述偏態現象。

從表3可知，PED和GWP占總環境影響比例超過93%，其他不同設計條件下這個百分比變化很小。由于造成這2個指標變化的原因相同，因此只討論PED的變化。圖3表示換熱管外徑、管板利用率和換熱管長3個設計參數對PED的不確定性影響。

當管板利用率和換熱管外徑相同時，換熱管越長，換熱器質量越大，對PED負荷越大，其中位數在管長為2 m和3 m時分別為131 915.3和131 918.3。當換熱管長和管外徑確定時，管板利用率越大，對PED負荷越小，管板利用率為0.70和0.75對應的PED的中位數分別為131 919.5和131 918.3。當管板利用率和管長確定時，換熱管外徑越大，對PED的負荷越小，當管板利用率為0.70和管長為2 m時，PED的中位數隨著管外徑增加依次減少，分別為：131 918.3，131 915.3，131 913.8，131 910.3。

換熱器管長與PED呈正相關，是由于管長越長，不銹鋼管的質量越大，導致生產不銹鋼管過程中的天然氣、電力的消耗越大，以及清洗劑的生產也需要大量的煤，這些能源的消耗，導致對PED負荷越大。管板利用率也與PED呈正相關，這是因為管板利用率與筒體的公稱直徑呈負相關，管板利用率的增大導致換熱器的總質量減小，能源的消耗減小，對PED負荷減小。換熱管外徑決定不銹鋼管的質量，管外徑越大，所需換熱管根數越少，則生產不銹鋼管的能源消耗也越小，導致對PED負荷越小。

圖4是不同管板利用率、換熱管外徑和管長設計參數下E的概率密度曲線圖。

在3個設計參數確定的情況下，圖像呈現多峰分布。例如，當管板利用率為0.70，管長為2 m，管外徑為0.025m時，圖像出現2個波峰。這是因為得到不同的換熱器筒體公稱直徑，公稱直徑是非連續變化，而有其特定的系列類似離散變量，所以不同的筒體公稱直徑導致非常不同的換熱器質量，2個公稱直徑造成的環境影響不能呈現連續變化，則總環境影響的密度圖出現多個波峰。

當管板利用率和管長確定時，不同管外徑的密度曲線出現交錯的現象。例如，當管板利用率為0.75和管長為2 m時，管外徑分別取0.038 m和0.045 m條件下，概率密度曲線發生交錯。這是因為在換熱器的設計過程中，管外徑不同但換熱器最終有相同的筒體公稱直徑。筒體公稱直徑相同時，換熱器的總質量則相差不大，能源與資源的使用情況也相似，那么換熱器環境影響非常接近，因此2個曲線會發生相交。管外徑為0.045 m與管外徑為0.038 m時的概率密度曲線相比，總環境影響較小。這是因為當筒體的公稱直徑相同時，換熱管外徑越大，則所需的換熱管根數越少，換熱器的質量就會越小，導致對環境總影響越小。因此當筒體公稱直徑相同時，管外徑越大的部分曲線，總環境影響反而越小。

(1)生命周期評價和蒙特卡洛不確定性理論的結合，分析認知和隨機2類不確定性，可靠評估超高溫殺菌換熱器的環境影響性能。

(2)乳品超高溫殺菌換熱器廢棄處理階段對環境產生正面影響，使用階段占總環境影響超過99%。且初級能源消耗和全球變暖潛值2項占總環境影響指標超過93%。

(3)總體上換熱管直徑的增加會導致環境影響及其不確定性變大；管長與管板利用率越大，換熱器質量越小，因此總環境影響及其不確定性越小。

(4)換熱管外徑、管板利用率和換熱管長3個設計參數組合得到非連續變化系列的筒體公稱直徑，因此環境影響的概率密度函數表現出特有的多峰和交錯等現象。