Wat is tegenstroomuitwisseling?
Tegenstroomuitwisseling is een zeer efficiënt, natuurlijk voorkomend verschijnsel van thermische of chemische overdracht tussen vloeistoflichamen. Dit proces vindt plaats door een geleidend oppervlak in het geval van warmte of een gedeeltelijk permeabel membraan in het geval van chemische uitwisseling. Bij tegenstroomuitwisselingen stromen de donor- en ontvangervloeistof altijd in tegengestelde richting, een kenmerk dat het proces zowel zijn efficiëntie als zijn naam verleent. Tegenstroomuitwisseling wordt aangetroffen in veel biologische systemen zoals zoogdiernieren, vogellongen en viskieuwen en is een algemeen gebruikt industrieel chemisch en thermisch overdrachtssysteem. Een soortgelijk systeem is het gelijktijdige uitwisselingsproces dat minder effectief is en overdrachten tussen vloeistoffen die in dezelfde richting stromen kenmerkt.
De uitwisseling van thermische energie of gesuspendeerde stoffen tussen stromende vloeistoffen is een veel voorkomend verschijnsel, zowel in de natuur als in de industrie. Deze stroomuitwisselingen kunnen in twee groepen worden verdeeld: gelijktijdig en in tegenstroom. Beide omvatten het uitwisselen van warmte of gesuspendeerde chemicaliën tussen vloeistoffen die in aangrenzende vaten stromen, respectievelijk via geleidende oppervlakken of semi-permeabele membranen. Terwijl de vloeistoffen over hun gedeelde gebieden stromen, stromen warmte en chemicaliën van nature van gebieden met een hoge tot lage concentratie totdat het evenwicht is bereikt. Het is deze eigenschap van elementaire overdracht die de tegenstroom-uitwisselingsmethode de meest effectieve van de twee maakt.
Het proces van zuurstofoverdracht in de kieuwen van een vis is een goed voorbeeld van de voordelen van tegenstroomuitwisseling. Terwijl zuurstofarm bloed een tegengestelde stroom zuurstofrijk water ontmoet, begint de zuurstof uit het water en in de bloedstroom te diffunderen. Hierdoor daalt de concentratie zuurstof in het water en stijgt die in het bloed. Vanwege het feit dat de stroomrichtingen tegengesteld zijn, zal het bloed altijd met een hogere zuurstofconcentratie over water stromen en zal de uitwisseling doorgaan totdat de stromen divergeren. Bij gelijktijdige stromen stromen de twee vloeistoffen echter in dezelfde richting en bereikt de relatie tussen concentraties snel een evenwicht, waardoor de uitwisseling effectief wordt gestopt.
Dit betekent dat in tegenstelling tot de gelijktijdige variant, tegenstroomuitwisselingssystemen het relevante element over het volledige uitwisselingsgebied blijven overbrengen voor een grotere efficiëntie. Deze efficiëntie maakt gewoonlijk overdrachtswaarden van 100% mogelijk waarbij de ontvangende stroom het systeem verlaat met dezelfde concentratie van warmte of chemicaliën als die van de donorstroom. Hetzelfde kan echter niet gezegd worden van gelijktijdige uitwisselingen met gemiddelde overdrachtswaarden die rond de 50% liggen. Dit maakt de tegenstroomuitwisselingsmethode geschikt voor industriële processen zoals regeneratieve warmtewisseling en biologische overdrachtsmethoden, waaronder nier- en longfuncties.