目前，超高温杀菌换热器得到广泛的应用，热杀菌的方式有效保证了牛奶的营养物质和保质期。ANSARI等设计并试验了一种三管螺旋超高温牛奶灭菌器的杀菌性能，研究发现灭菌后的牛奶在2个月内不会发生剧烈的颜色变化和凝胶化。高雪峰等利用改进的满意度函数，优化超高温杀菌工艺参数，在保证牛奶蛋白质和纤维素较少流失的前提下，缩短生产周期，降低能耗。牛奶杀菌换热器的研究重点集中于优化超高温杀菌工艺流程和提高牛奶的杀菌性能，但换热器环境影响的研究非常缺乏，导致无法定量化牛奶杀菌换热器的环境影响，不能全面准确评估牛奶杀菌换热器的绿色性能。本文基于生命周期评价理论(Life Cycle Assessment，LCA)，结合蒙特卡洛不确定性方法，通过研究换热器设计和随机2类参数变化导致的不同环境影响，探究换热器在生命周期过程中环境影响不确定性，为实现低碳绿色的乳品超高温杀菌换热器提供理论依据和设计指导。

环境影响评价过程中不确定性分为认知和随机2类。认知不确定性是由专业知识缺乏或者信息不完全而造成。例如，由于设计人员根据专业知识选择不同的换热管长度、管外径以及管板利用率等，相应换热器质量及环境影响会有显著不同。而随机不确定性是制造、安装或测量等导致。例如，换热管在加工过后不会得到完全相同的外径尺寸，测量误差或加工误差会使换热管直径呈正态分布。除此之外，污垢热阻、不锈钢密度和导热系数这些参数的量化通常是由试验室条件下大量实测数据得到，由于测量和计算上的误差，这些参数具有随机不确定性。因此，研究采用蒙特卡洛抽样方法，随机抽取各自分布范围内变量参数值，通过计算生命周期环境影响的不确定性，为最终结果的解释提供理论依据。

基于蒙特卡洛抽样的不确定性计算步骤如图1所示。确定换热器长度L为2，3 m；换热管外径Do为0.025，0.032，0.038，0.045 m；管板利用率Tuse为0.70，0.75。将这3个参数进行全因子组合，得到16组不同设计参数的换热器。在每一组设计条件下，确定输入变量随机变化范围或分布，如表1所示。换热管外径、不锈钢密度、不锈钢导热系数均服从正态分布，污垢热阻假设服从均匀分布。将产生的输入参数变量代入换热器设计模型和矩阵LCA模型中，得到总环境影响指标E。根据环境影响计算结果，绘制箱线图和密度曲线图等，进行不确定性分析。

生命周期评价是一种量化评估产品或工艺的环境影响负荷方法，分析从原材料获取到生产、使用、报废处理、回收和最终处置整个生命周期阶段的影响，已经得到广泛应用。生命周期评价方法分为4个步骤：目标与范围的定义、清单分析、影响评价、结果解释。

选取乳品超高温杀菌的管式换热器作为研究对象，对乳品经预热后进入换热器超高温杀菌这一过程进行研究。目的是对由于设计和随机不确定性导致不同设计尺寸换热器设备的环境影响进行评价，确定换热器设备在生命周期中主要环境影响阶段，并对换热器设计方案提出改进建议。功能单位定义为将35 m3/h的牛奶从85 ℃加热到136 ℃超高温杀菌的管式换热器。假设每日工作8 h，每年工作300 d，工作寿命20 a，则换热器在全生命周期中处理的物料总量为1.74×109 kg。

研究的系统边界，包括原材料生产，换热器制造、使用、维修清洗和废弃处理5个阶段。原材料生产阶段指不锈钢材料的生产制造阶段；制造阶段是换热器设备各零部件及整体的制造和安装过程；使用阶段是牛奶杀菌过程；维修清洗阶段是由于牛奶易产生奶垢，因此每次运行设备后都需要清洗；废弃处理阶段主要考虑不锈钢的回收循环利用和废弃钢铁的填埋过程。

清单分析是对产品整个生命周期的能源输入、资源消耗以及废弃物排放的数据进行收集计算的过程。数据来源包括中国生命周期数据库(Chinese Life Cycle Database，CLCD)和Ecoinvent数据库。

在生产制造阶段，管式换热器设备主要有不锈钢管经加工焊接而成。由于数据库中没有合适的不锈钢管数据，不能满足实际复杂情况。因此根据查找的企业环评资料，调查不锈钢管的制作工艺流程，所涉及的原材料为硝酸、氢氟酸、黄油，石灰和水，能源为天然气和电。通过换算得到不锈钢管制造过程中能源和资源消耗情况，耗电为0.802 8 MJ/kg。

使用阶段是换热器产生排放的主要阶段。选择换热介质是140 ℃的加热蒸汽，该数据是采用eBalance中的背景数据库，代表国内典型锅炉生产厂家生产锅炉的平均技术参数。所需蒸汽是由1小时生产1吨蒸汽的单筒纵置式蒸汽锅炉(DZL1型)燃烧Ⅱ类烟煤产生。按照研究工作时长，换热器使用阶段所需蒸汽用量为1.8×108 kg。同时考虑将1台功率为2.5 kW型号为BAW150的离心奶泵作为输入泵，则在使用阶段耗电量为1.2×105 kW·h。

在维修清洗阶段，主要清洗方法是使用工业用水、50%的氢氧化钠、58%的硝酸依次进行清洗，最后再使用工业用水进行冲洗，直到冲洗后水的pH值为中性。清洗时间以及清洗用量均采用文献中的数值，清洗频率一般每年40～50次。因此维护清洗阶段工业用水量为1.7×105 kg，50%氢氧化钠用量为1.3×105 kg，58%硝酸用量为1.1×105 kg。

在废弃处理阶段，主要考虑不锈钢的回收处理，60%的不锈钢采用熔化炉熔化为铁水循环再利用，剩下的不锈钢采用填埋处理。选择GW-1-500/1-JJ型号的熔化炉，功率为750 kW/t，则废弃处理阶段耗电量为1 526 kW·h。

影响评价是根据清单数据对产品造成的环境影响进行定量化的过程。使用矩阵法生命周期评价，在R语言中计算换热器的LCA。影响评价包括4个步骤：分类、特征化，标准化和加权。

分类是将环境影响因子划分到不同环境影响类别中，环境影响因子是各个阶段产生的资源消耗和排放物。特征化是选取当量物质并根据其特征化因子将不同环境影响因子转化为该当量物质的过程。根据中点环境影响评价方法，选择8种环境影响类别：(1)初级能源消耗潜值(Primary Energy Demand，PED)；(2)全球变暖潜值(Global Warming Potential，GWP)；(3)酸化潜值(Acidification Potential，AP)；(4)富营养化潜值(Eutrophication Potential，EP)；(5)中国资源消耗潜值(Chinese Resource Depletion Potential，CADP)；(6)光化学污染(Photochemical Oxidation Potential，POCP)；(7)人体损害潜值(Human Toxicity Potential，HTP)；(8)可吸入无机物(Respiratory Inorganice，RI)。标准化是把不同环境影响类别的当量物质进行统一，根据特征化结果与标准化基准值的比值确定出各个环境影响类别结果的相对大小。选取1990年环境影响潜值标准空间均量基准，查阅相关文献，得到不同环境影响类型的标准化基准值。加权是标准化结果乘以权重因子，得到最终的环境影响指标。加权因子的确定是根据层次分析法中方根法求得，计算过程在R软件中实现。各环境影响类型，以及标准化基准值和加权因子如表2所示。

结果解释是根据评价结果对换热器的生命周期各阶段分析，并提出改进措施和建议。

当换热管外径为0.025 m、管板利用率为0.70和换热管长为2 m时，换热器生命周期各阶段的环境影响结果如表3所示。除废弃处理阶段由于回收废弃材料对环境产生正面影响外，使用阶段因为工作时间很长，蒸汽以及其他资源能源的使用过大，导致环境影响占比超过99%。生产制造阶段，由于使用不锈钢材料，CADP占本阶段全部环境影响的99.8%。清洗阶段由于使用硝酸和氢氧化钠作为清洗剂，而清洗剂生产需要消耗大量的煤，对PED、GWP影响很大，分别占本阶段总环境影响的59.4%和18.8%。在其他不同设计参数条件下，这些环境影响比例变化很小。

由于换热管外径、长度以及管板利用率的变化，对换热器使用和清洗阶段的环境影响结果没有不确定性影响，因此重点探讨生产制造和废弃处理阶段的环境影响，如图2所示。横轴代表换热器生产制造和废弃处理2个阶段，纵轴代表换热器总环境影响指标E。总环境影响指标越大则对环境造成越大的影响。

图2(a)表示换热器管外径对换热器总环境的影响。在生产制造阶段，管外径越大，换热器对环境的影响越大。当管外径为0.025 m时，换热器总环境影响指标的波动较小，指标值比较集中，分布呈现左偏态。当管外径增大到0.045 m时，E分布变得非常分散，且呈现左偏态，上限达到210.8。因此，总体上换热管选取小的管径会有小的环境影响，环境影响的不确定性也较小。在废弃处理阶段，管外径越大，对环境的正影响越大。

图2(b)表示换热器管板利用率对于换热器总环境影响。在生产制造阶段，当管板利用率为0.70和0.75时，E的中位数分别为106.5和105.2，略有降低。这是因为管板利用率越大，筒体的公称直径越小，相应的换热器质量越小，因此换热器对环境的影响越小。此外，管板利用率的提高也有助于减少环境影响的不确定性。在废弃处理阶段，管板利用率越大，对环境的正影响越小。

图2(c)表示换热管长对于换热器总环境影响。在生产制造阶段，管长越长，换热管根数越少，换热器质量越小，换热器对环境的影响越小，E的中位数在换热管长为2 m和3 m时分别为118.2和101.6。当管长为2 m时，出现超出上限的异常值。在废弃处理阶段，呈现与生产制造阶段相反的现象，管长越长，对环境的正影响越小。

如上所述，换热器质量是影响最终总环境的主要因素，换热器质量越大，不锈钢管的生产过程中能源资源消耗量越大，导致对环境影响越大。废弃阶段是采用60%的废弃钢铁熔化成铁水的回收方式。换热器质量越大，回收的铁水越多，对环境造成的正面影响越大。因此，图2中生产制造阶段和废弃处理阶段会呈现相反的现象。此外，图2中异常值的出现是由于管板利用率、换热管外径和长度这3个参数会影响筒体的公称直径。管板利用率越小，公称直径越大；换热管的外径越大，公称直径越大；换热管的长度越小，则换热管的根数增加，公称直径越大。筒体的公称直径越大导致换热器对环境影响越大，当个别出现极大的筒体公称直径时就会出现超出上限的异常值。此外，当3个参数组合得到的筒体公称直径大部分都集中在同一个数值上，则导致环境影响数值也相对集中，箱线图出现上述偏态现象。

从表3可知，PED和GWP占总环境影响比例超过93%，其他不同设计条件下这个百分比变化很小。由于造成这2个指标变化的原因相同，因此只讨论PED的变化。图3表示换热管外径、管板利用率和换热管长3个设计参数对PED的不确定性影响。

当管板利用率和换热管外径相同时，换热管越长，换热器质量越大，对PED负荷越大，其中位数在管长为2 m和3 m时分别为131 915.3和131 918.3。当换热管长和管外径确定时，管板利用率越大，对PED负荷越小，管板利用率为0.70和0.75对应的PED的中位数分别为131 919.5和131 918.3。当管板利用率和管长确定时，换热管外径越大，对PED的负荷越小，当管板利用率为0.70和管长为2 m时，PED的中位数随着管外径增加依次减少，分别为：131 918.3，131 915.3，131 913.8，131 910.3。

换热器管长与PED呈正相关，是由于管长越长，不锈钢管的质量越大，导致生产不锈钢管过程中的天然气、电力的消耗越大，以及清洗剂的生产也需要大量的煤，这些能源的消耗，导致对PED负荷越大。管板利用率也与PED呈正相关，这是因为管板利用率与筒体的公称直径呈负相关，管板利用率的增大导致换热器的总质量减小，能源的消耗减小，对PED负荷减小。换热管外径决定不锈钢管的质量，管外径越大，所需换热管根数越少，则生产不锈钢管的能源消耗也越小，导致对PED负荷越小。

图4是不同管板利用率、换热管外径和管长设计参数下E的概率密度曲线图。

在3个设计参数确定的情况下，图像呈现多峰分布。例如，当管板利用率为0.70，管长为2 m，管外径为0.025m时，图像出现2个波峰。这是因为得到不同的换热器筒体公称直径，公称直径是非连续变化，而有其特定的系列类似离散变量，所以不同的筒体公称直径导致非常不同的换热器质量，2个公称直径造成的环境影响不能呈现连续变化，则总环境影响的密度图出现多个波峰。

当管板利用率和管长确定时，不同管外径的密度曲线出现交错的现象。例如，当管板利用率为0.75和管长为2 m时，管外径分别取0.038 m和0.045 m条件下，概率密度曲线发生交错。这是因为在换热器的设计过程中，管外径不同但换热器最终有相同的筒体公称直径。筒体公称直径相同时，换热器的总质量则相差不大，能源与资源的使用情况也相似，那么换热器环境影响非常接近，因此2个曲线会发生相交。管外径为0.045 m与管外径为0.038 m时的概率密度曲线相比，总环境影响较小。这是因为当筒体的公称直径相同时，换热管外径越大，则所需的换热管根数越少，换热器的质量就会越小，导致对环境总影响越小。因此当筒体公称直径相同时，管外径越大的部分曲线，总环境影响反而越小。

(1)生命周期评价和蒙特卡洛不确定性理论的结合，分析认知和随机2类不确定性，可靠评估超高温杀菌换热器的环境影响性能。

(2)乳品超高温杀菌换热器废弃处理阶段对环境产生正面影响，使用阶段占总环境影响超过99%。且初级能源消耗和全球变暖潜值2项占总环境影响指标超过93%。

(3)总体上换热管直径的增加会导致环境影响及其不确定性变大；管长与管板利用率越大，换热器质量越小，因此总环境影响及其不确定性越小。

(4)换热管外径、管板利用率和换热管长3个设计参数组合得到非连续变化系列的筒体公称直径，因此环境影响的概率密度函数表现出特有的多峰和交错等现象。