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乳品超高温杀菌换热器环境影响不确定性钻研2023-07-11

0 引言

目前，超高温杀菌换热器得到宽泛的利用，热杀菌的方式有效保障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机能，钻研发现灭菌后的牛奶在2个月内不会产生剧烈的色彩变动和凝胶化。高雪峰等利用改进的中意度函数，优化超高温杀菌工艺参数，在保障牛奶蛋白质和纤维素较少流失的前提下，缩短出产周期，降低能耗。牛奶杀菌换热器的钻研沉点集中于优化超高温杀菌工艺流程和提高牛奶的杀菌机能，但换热器环境影响的钻研极度不足，导致无法定量化牛奶杀菌换热器的环境影响，不能全面正确评估牛奶杀菌换热器的绿色机能。本文基于性命周期评价理论(Life Cycle Assessment，LCA)，结合蒙特卡洛不确定性步骤，通过钻研换热器设计和随机2类参数变动导致的分歧环境影响，探索换热器在性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凭据和设计领导。

1 钻研步骤

1.1 换热器环境影响的不确定性分析步骤

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不足或者信息不齐全而造成。例如，由于设计人员凭据专业知识选择分歧的换热管长度、管表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分歧。而随机不确定性是造作、装置或丈量等导致。例如，换热管在加工过后不会得到齐全一样的表径尺寸，丈量误差或加工误差会使换热管直径呈正态散布。除此之表，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前提下大量实测数据得到，由于丈量和推算上的误差，这些参数拥有随机不确定性。因而，钻研选取蒙特卡洛抽样步骤，随机抽取各自散布领域内变量参数值，通过推算性命周期环境影响的不确定性，为最终了局的诠释提供理论凭据。

基于蒙特卡洛抽样的不确定性推算步骤如图1所示。确定换热器长度L为2，3 m；换热管表径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组分歧设计参数的换热器。在每一组设计前提下，确定输入变量随机变动领域或散布，如表1所示�；蝗裙鼙砭丁⒉恍飧置芏取⒉恍飧值既认凳翊诱⒉�，污垢热阻如果遵从均匀散布。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。凭据环境影响推算了局，绘造箱线图和密度曲线图等，进行不确定性分析。

表1 牛奶杀菌换热器随机不确定性分析输入变量

Tab.1 Input variable uncertainty analysis of milk sterilization heat exchanger

变量	散布
污垢热阻Rd /(m2·℃·W-1)	均匀散布U(0.000 2，0.000 3)
不锈钢密度Sd /(kg·m-3)	正态散布N(7 850，573.12)
不锈钢导热系数St /(W·m-1·℃-1)	正态散布N(15，0.051)
换热管表径Do /m	正态散布N(Do，Do*0.006 4)

图1 牛奶杀菌换热器环境影响不确定性分析步骤

Fig.1 Steps of uncertainty analysis of environmental impact of milk sterilization heat exchanger

1.2 性命周期评价

性命周期评价是一种量化评估产品或工艺的环境影响负荷步骤，分析从原资料获取到出产、使用、报废处置、回收和最终措置整个性命周期阶段的影响，已经得到宽泛利用。性命周期评价步骤分为4个步骤：指标与领域的界说、清单分析、影响评价、了径喙释。

1.2.1 指标与领域的界说

拔取乳品超高温杀菌的管式换热器作为钻研对象，对乳品经预热后进入换热器超高温杀菌这一过程进行钻研。主张是对由于设计和随机不确定性导致分歧设计尺寸换热器设备的环境影响进行评价，确定换热器设备在性命周期中重要环境影响阶段，并对换热器设计规划提出改进建议。职能单元界说为将35 m3/h的牛奶从85 ℃加热到136 ℃超高温杀菌的管式换热器。如果逐日工作8 h，每年工作300 d，工作寿命20 a，则换热器在全性命周期中处置的物料总量为1.74×109 kg。

钻研的系统天堑，蕴含原资料出产，换热器造作、使用、维建洗濯和拔除处置5个阶段。原资料出产阶段指不锈钢资料的出产造作阶段；造作阶段是换热器设备各零部件及整体的造作和装置过程；使用阶段是牛奶杀菌过程；维建洗濯阶段是由于牛奶易产生奶垢，因而每次运行设备后都必要洗濯；拔除处置阶段重要思考不锈钢的回收循环利用和拔除钢铁的填埋过程。

1.2.2 清单分析

清单分析是对产品整个性命周期的能源输入、资源亏损以及拔除物排放的数据进行网络推算的过程。数据起源蕴含中国性命周期数据库(Chinese Life Cycle Database，CLCD)和Ecoinvent数据库。

在出产造作阶段，管式换热器设备重要有不锈钢管经加工焊接而成。由于数据库中没有相宜的不锈钢管数据，不能满足现实复杂情况。因而凭据查找的企业环评资料，调查不锈钢管的造作工艺流程，所涉及的原资料为硝酸、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造作过程中能源和资源亏损情况，耗电为0.802 8 MJ/kg。

使用阶段是换热器产生排放的重要阶段。选择换热介质是140 ℃的加热蒸汽，该数据是选取eBalance中的布景数据库，代表国内典型锅炉出产厂家出产锅炉的均匀技术参数。所需蒸汽是由1幼时出产1吨蒸汽的单筒纵置式蒸汽锅炉(DZL1型)点火Ⅱ类烟煤产生。依照钻研工作时长，换热器使用阶段所需蒸汽用量为1.8×108 kg。同时思考将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。

在维建洗濯阶段，重要洗濯步骤是使用工业用水、50%的氢氧化钠、58%的硝酸顺次进行洗濯，最后再使用工业用水进行冲刷，直到冲刷后水的pH值为中性。洗濯功夫以及洗濯用量均选取文件中的数值，洗濯频率通常每年40～50次。因而守护洗濯阶段工业用水量为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。

在拔除处置阶段，重要思考不锈钢的回收处置，60%的不锈钢选取溶解炉溶解为铁水循环再利用，剩下的不锈钢选取填埋处置。选择GW-1-500/1-JJ型号的溶解炉，功率为750 kW/t，则拔除处置阶段耗电量为1 526 kW·h。

1.2.3 影响评价

影响评价是凭据清单数据对产品造成的环境影响进行定量化的过程。使用矩阵法性命周期评价，在R说话中推算换热器的LCA。影响评价蕴含4个步骤：分类、特点化，尺度化和加权。

分类是将环境影响因子划分到分歧环境影响类别中，环境影响因子是各个阶段产生的资源亏损和排放物。特点化是拔取当量物质并凭据其特点化因子将分歧环境影响因子转化为应该量物质的过程。凭据中点环境影响评价步骤，选择8种环境影响类别：(1)低级能源亏损潜值(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)中国资源亏损潜值(Chinese Resource Depletion Potential，CADP)；(6)光化学传染(Photochemical Oxidation Potential，POCP)；(7)人体侵害潜值(Human Toxicity Potential，HTP)；(8)可吸入无机物(Respiratory Inorganice，RI)。尺度化是把分歧环境影响类此外当量物质进行统一，凭据特点化了局与尺度化基准值的比值确定出各个环境影响类别了局的相对大幼。拔取1990年环境影响潜值尺度空间均量基准，查阅有关文件，得到分歧环境影响类型的尺度化基准值。加权是尺度化了局乘以权沉因子，得到最终的环境影响指标。加权因子简直定是凭据档次分析法中方根法求得，推算过程在R软件中实现。各环境影响类型，以及尺度化基准值和加权因子如表2所示。

表2 换热器清单物质分类表

Tab.2 Classification of the heat exchanger inventory substances

环境影响类型	当量物质	尺度化基准值	权沉因子
PED	kg ce eq/(km2·a)	72 933	0.323
CADP	kg coal/(km2·a)	40 286	0.230
GWP	kgCO2eq/(km2·a)	337 898	0.159
AP	kgSO2eq/(km2·a)	4 252	0.028
EP	kgPO43-eq/(km2·a)	7 443	0.121
POCP	kgC2H4eq/(km2·a)	78	0.085
HTP	kt water/(km2·a)	7	0.038
RI	kg/(km2·a)	890	0.015

1.2.4 了径喙释

了径喙释是凭据评价了局对换热器的性命周期各阶段分析，并提出改进措施和建议。

2 了局与会商

2.1 性命周期分歧阶段的环境影响

当换热管表径为0.025 m、管板利用率为0.70和换热管长为2 m时，换热器性命周期各阶段的环境影响了局如表3所示。除拔除处置阶段由于回收拔除资料对环境产生正面影响表，使用阶段由于工作功夫很长，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%。出产造作阶段，由于使用不锈钢资料，CADP占本阶段全数环境影响的99.8%。洗濯阶段由于使用硝酸和氢氧化钠作为洗濯剂，而洗濯剂出产必要亏损大量的煤，对PED、GWP影响很大，别离占本阶段总环境影响的59.4%和18.8%。在其他分歧设计参数前提下，这些环境影响比例变动很幼。

表3 换热器性命周期环境影响了局表

Tab.3 Results of the environmental impact of the heat exchanger within life cycle

环境影响类型	出产造作阶段	使用阶段	维建洗濯阶段	拔除处置阶段	计算
PED	9.82E-02	1.32E+05	1.96E+02	-9.89E+00	1.32E+05
CADP	9.27E+01	2.79E+03	4.13E+01	-3.90E+00	2.92E+03
GWP	2.43E-02	3.13E+04	6.19E+01	-1.77E+00	3.14E+04
AP	3.76E-03	1.42E+03	1.05E+01	-9.61E-02	1.43E+03
EP	2.91E-03	2.47E+03	1.17E+01	-1.62E-01	2.48E+03
POCP	2.52E-03	1.33E+03	3.58E+00	-1.82E+00	1.33E+03
HIP	5.26E-02	1.00E+02	4.38E+00	-2.64E+00	1.02E+02
RI	9.80E-04	3.75E+03	6.41E-01	-8.60E-02	3.75E+03
计算	9.29E+01	1.75E+05	3.30E+02	-2.04E+01	1.75E+05

由于换热管表径、长度以及管板利用率的变动，对换热器使用和洗濯阶段的环境影响了局没有不确定性影响，因而沉点探求出产造作和拔除处置阶段的环境影响，如图2所示。横轴代表换热器出产造作和拔除处置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)暗示换热器管表径对换热器总环境的影响。在出产造作阶段，管表径越大，换热器对环境的影响越大。当管表径为0.025 m时，换热器总环境影响指标的颠簸较幼，指标值比力集中，散布出现左偏态。当管表径增大到0.045 m时，E散布变得极度分散，且出现左偏态，上限达到210.8。因而，总体上换热管拔取幼的管径会有幼的环境影响，环境影响的不确定性也较幼。在拔除处置阶段，管表径越大，对环境的正影响越大。

图2(b)暗示换热器管板利用率对于换热器总环境影响。在出产造作阶段，当管板利用率为0.70和0.75时，E的中位数别离为106.5和105.2，略有降低。这是由于管板利用率越大，筒体的公称直径越幼，相应的换热器质量越幼，因而换热器对环境的影响越幼。此表，管板利用率的提高也有助于削减环境影响的不确定性。在拔除处置阶段，管板利用率越大，对环境的正影响越幼。

图2(c)暗示换热管长对于换热器总环境影响。在出产造作阶段，管长越长，换热管根数越少，换热器质量越幼，换热器对环境的影响越幼，E的中位数在换热管长为2 m和3 m时辰别为118.2和101.6。当管长为2 m时，出现超出上限的异常值。在拔除处置阶段，出现与出产造作阶段相反的景象，管长越长，对环境的正影响越幼。

图2 各阶段换热器设计参数不确定性分析

Fig.2 Uncertainty analysis of heat exchanger design parameters at various stages

如上所述，换热器质量是影响最终总环境的重要成分，换热器质量越大，不锈钢管的出产过程中能源资源亏损量越大，导致对环境影响越大。拔除阶段是选取60%的拔除钢铁溶解成铁水的回收方式�；蝗绕髦柿吭酱�，回收的铁水越多，对环境造成的正面影响越大。因而，图2中出产造作阶段和拔除处置阶段会出现相反的景象。此表，图2中异常值的出现是由于管板利用率、换热管表径和长度这3个参数会影响筒体的公称直径。管板利用率越幼，公称直径越大；换热管的表径越大，公称直径越大；换热管的长度越幼，则换热管的根数增长，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。此表，当3个参数组合得到的筒体公称直径大部门都集中在统一个数值上，则导致环境影响数值也相对集中，箱线图出现上述偏态景象。

2.2 分歧环境评价指标的影响

从表3可知，PED和GWP占总环境影响比例超过93%，其他分歧设计前提下这个百分比变动很幼。由于造成这2个指标变动的原因一样，因而只会商PED的变动。图3暗示换热管表径、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。

图3 低级能源亏损潜值(PED)的不确定性分析

Fig.3 Uncertainty analysis of Primary Energy Demand(PED)

当管板利用率和换热管表径一样时，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时辰别为131 915.3和131 918.3。当换热管长和管表径确按时，管板利用率越大，对PED负荷越幼，管板利用率为0.70和0.75对应的PED的中位数别离为131 919.5和131 918.3。当管板利用率和管长确按时，换热管表径越大，对PED的负荷越幼，当管板利用率为0.70和管长为2 m时，PED的中位数随着管表径增长顺次削减，别离为：131 918.3，131 915.3，131 913.8，131 910.3。

换热器管长与PED呈正有关，是由于管长越长，不锈钢管的质量越大，导致出产不锈钢管过程中的天然气、电力的亏损越大，以及洗濯剂的出产也必要大量的煤，这些能源的亏损，导致对PED负荷越大。管板利用率也与PED呈正有关，这是由于管板利用率与筒体的公称直径呈负有关，管板利用率的增大导致换热器的总质量减幼，能源的亏损减幼，对PED负荷减幼�；蝗裙鼙砭毒龆ú恍飧止艿闹柿�，管表径越大，所需换热管根数越少，则出产不锈钢管的能源亏损也越幼，导致对PED负荷越幼。

2.3 总环境影响不确定性分析

图4是分歧管板利用率、换热管表径和管长设计参数下E的概率密度曲线图。

图4 换热器总环境影响密度曲线

Fig.4 Total environmental impact density curve of heat exchanger

在3个设计参数确定的情况下，图像出现多峰散布。例如，当管板利用率为0.70，管长为2 m，管表径为0.025m时，图像出现2个波峰。这是由于得到分歧的换热器筒体公称直径，公称直径长短陆续变动，而有其特定的系列类似离散变量，所以分歧的筒体公称直径导致极度分歧的换热器质量，2个公称直径造成的环境影响不能出现陆续变动，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按时，分歧管表径的密度曲线出现交错的景象。例如，当管板利用率为0.75和管长为2 m时，管表径别离取0.038 m和0.045 m前提下，概率密度曲线产生交错。这是由于在换热器的设计过程中，管表径分歧但换热器最终有一样的筒体公称直径。筒体公称直径一样时，换热器的总质量则相差不大，能源与资源的使用情况也类似，那么换热器环境影响极度靠近，因而2个曲线会产生订交。管表径为0.045 m与管表径为0.038 m时的概率密度曲线相比，总环境影响较幼。这是由于当筒体的公称直径一样时，换热管表径越大，则所需的换热管根数越少，换热器的质量就会越幼，导致对环境总影响越幼。因而当筒体公称直径一样时，管表径越大的部门曲线，总环境影响反而越幼。

3 结语

(1)性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，靠得住评估超高温杀菌换热器的环境影响机能。

(2)乳品超高温杀菌换热器拔除处置阶段对环境产生正面影响，使用阶段占总环境影响超过99%。且低级能源亏损和全球变暖潜值2项占总环境影响指标超过93%。

(3)总体上换热管直径的增长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，换热器质量越幼，因而总环境影响及其不确定性越幼。

(4)换热管表径、管板利用率和换热管长3个设计参数组合得到非陆续变动系列的筒体公称直径，因而环境影响的概率密度函数阐发出特有的多峰和交错等景象。

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