Qu'est-ce qu'un échange à contre-courant?
L'échange à contre-courant est un phénomène naturel hautement efficace de transfert thermique ou chimique entre des corps fluides. Ce processus se déroule à travers une surface conductrice dans le cas de la chaleur ou une membrane partiellement perméable dans le cas d'un échange chimique. Dans les échanges à contre-courant, le fluide donneur et le fluide récepteur s'écoulent toujours dans des directions opposées, caractéristique qui confère au processus son efficacité et son nom. Les échanges à contre-courant se rencontrent dans de nombreux systèmes biologiques tels que les reins de mammifères, les poumons d'oiseaux et les branchies de poisson. C'est un système de transfert chimique industriel et thermique couramment utilisé. Un système similaire est le processus d'échange simultané, moins efficace et comportant des transferts entre des fluides s'écoulant dans la même direction.
L'échange d'énergie thermique ou de substances en suspension entre des fluides en écoulement est un phénomène courant tant dans la nature que dans l'industrie. Ces échanges de flux de courant peuvent être divisés en deux groupes: simultané et à contre-courant. Les deux impliquent un échange de chaleur ou de produits chimiques en suspension entre des fluides s'écoulant dans des vaisseaux adjacents, via des surfaces conductrices ou des membranes semi-perméables, respectivement. Lorsque les fluides s'écoulent dans leurs zones communes, la chaleur et les produits chimiques circulent naturellement des zones de concentration élevée à inférieure jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. C’est cette caractéristique du transfert d’éléments qui fait de la méthode d’échange à contre-courant la plus efficace des deux.
Le processus de transfert d'oxygène dans les branchies d'un poisson est un bon exemple des avantages des échanges à contre-courant. Lorsque le sang pauvre en oxygène rencontre un flux opposé d'eau riche en oxygène, l'oxygène commence à se diffuser hors de l'eau et dans le flux sanguin. Cela provoque une chute de la concentration d'oxygène dans l'eau et une augmentation dans le sang. En raison du fait que les directions d'écoulement sont opposées, le sang coulera toujours dans de l'eau contenant une concentration d'oxygène plus élevée et l'échange se poursuivra jusqu'à ce que les écoulements divergent. En cas d'écoulements simultanés, les deux fluides s'écoulent dans le même sens et la relation entre les concentrations atteint rapidement l'équilibre, mettant ainsi fin à l'échange.
Cela signifie que, contrairement à la variante concurrente, les systèmes d’échange à contre-courant continuent de transférer l’élément concerné sur l’ensemble de la zone d’échange pour une plus grande efficacité. Cette efficacité permet généralement des valeurs de transfert de 100% avec le flux récepteur sortant du système avec la même concentration de chaleur ou de produits chimiques que celle du flux donneur. On ne peut pas en dire autant des échanges simultanés, avec des valeurs de transfert moyennes avoisinant les 50%. Cela rend la méthode d'échange à contre-courant appropriée aux processus industriels tels que l'échange de chaleur régénératif et les méthodes de transfert biologique incluant les fonctions rénale et pulmonaire.