Che cos'è lo scambio di controcorrente?
Lo scambio di controcorrente è un fenomeno altamente efficiente e naturale di trasferimento termico o chimico tra corpi fluidi. Questo processo avviene attraverso una superficie conduttiva in caso di calore o una membrana parzialmente permeabile in caso di scambio chimico. Negli scambi di controcorrente, il fluido donatore e ricevente fluisce sempre in direzioni opposte, una caratteristica che conferisce al processo sia la sua efficienza che il suo nome. Lo scambio di controcorrente si trova in molti sistemi biologici come reni di mammiferi, polmoni di uccelli e branchie di pesce ed è un sistema di trasferimento chimico e termico industriale comunemente usato. Un sistema simile è il processo di scambio simultaneo che è meno efficace e presenta trasferimenti tra fluidi che scorrono nella stessa direzione.
Lo scambio di energia termica o sostanze sospese tra fluidi fluenti è un fenomeno comune sia in natura che nell'industria. Questi scambi di flusso attuali possono essere divisi in due gruppi: simultaneo e controcorrente. Entrambi implicano lo scambio di calore o prodotti chimici sospesi tra i fluidi che fluiscono nei vasi adiacenti, rispettivamente attraverso superfici conduttive o membrane semipermeabili. Mentre i fluidi fluiscono attraverso le loro aree condivise, il calore e le sostanze chimiche fluiscono naturalmente dalle aree ad alta e bassa concentrazione fino al raggiungimento dell'equilibrio. È questa caratteristica del trasferimento elementale che rende il metodo di scambio in controcorrente il più efficace dei due.
Il processo di trasferimento dell'ossigeno nelle branchie di un pesce è un buon esempio dei benefici dello scambio di controcorrente. Mentre il sangue povero di ossigeno incontra un flusso opposto di acqua ricca di ossigeno, l'ossigeno inizia a diffondersi fuori dall'acqua e nel flusso sanguigno. Ciò provoca la caduta della concentrazione di ossigeno nell'acqua e quella nel sangue. A causa del fatto che le direzioni del flusso sono opposte, il sangue scorrerà sempre sull'acqua con una maggiore concentrazione di ossigeno e lo scambio continuerà fino a quando i flussi divergeranno. In flussi simultanei, tuttavia, i due fluidi scorrono nella stessa direzione e la relazione tra le concentrazioni raggiunge rapidamente l'equilibrio, interrompendo così efficacemente lo scambio.
Ciò significa che, diversamente dalla variante concorrente, i sistemi di scambio in controcorrente continuano a trasferire l'elemento rilevante sull'intera area di scambio per una maggiore efficienza. Questa efficienza di solito consente valori di trasferimento del 100% con il flusso del ricevente in uscita dal sistema con la stessa concentrazione di calore o sostanze chimiche di quella del flusso di donatori. Lo stesso non si può dire degli scambi simultanei, tuttavia, con valori di trasferimento medi in esecuzione nella regione del 50%. Ciò rende il metodo di scambio di controcorrente appropriato per processi industriali come lo scambio di calore rigenerativo e metodi di trasferimento biologico, comprese le funzioni renali e polmonari.