Hva er motstrømsveksling?

Motstrømsbytte er et svært effektivt, naturlig forekommende fenomen med termisk eller kjemisk overføring mellom væskekropper. Denne prosessen foregår gjennom en ledende overflate i tilfelle av varme eller en delvis permeabel membran ved kjemisk utveksling. I motstrømsvekslinger strømmer giveren og mottakervæsken alltid i motsatte retninger, et kjennetegn som gir prosessen både dens effektivitet og navn. Motstrømsutveksling finnes i mange biologiske systemer som pattedyr nyrer, fuglelunger og fisk gjeller og er et ofte brukt industrielt kjemisk og termisk overføringssystem. Et lignende system er samtidig utvekslingsprosess som er mindre effektiv og har overføringer mellom væsker som strømmer i samme retning.

Utveksling av termisk energi eller suspenderte stoffer mellom rennende væsker er et vanlig fenomen både i natur og industri. Disse strømningsutvekslingene kan deles i to grupper: samtidig og motstrøm. Begge involverer utveksling av varme eller suspenderte kjemikalier mellom væsker som strømmer i tilstøtende kar, enten via ledende overflater eller semipermeable membraner. Når væskene strømmer over deres delte områder, strømmer varme og kjemikalier naturlig fra områder med høy til lav konsentrasjon inntil likevekt er nådd. Det er dette kjennetegn ved elementær overføring som gjør motstrømsutvekslingsmetoden den mer effektive av de to.

Prosessen med oksygenoverføring i gjellene til en fisk er et godt eksempel på fordelene med motstrømsbytte. Ettersom oksygenfattig blod møter en motsatt strøm av oksygenrikt vann, begynner oksygenet å diffundere ut av vannet og inn i blodstrømmen. Dette får konsentrasjonen av oksygen i vannet til å synke og at blodet stiger. På grunn av det faktum at strømningsretningene er motarbeidet, vil blodet alltid strømme over vann med en høyere konsentrasjon av oksygen og utvekslingen vil fortsette til strømningene avviker. I samtidige strømmer strømmer de to væskene imidlertid i samme retning, og forholdet mellom konsentrasjoner når raskt likevekt, og stopper dermed utvekslingen effektivt.

Dette betyr at motstrømsvekslingssystemer, i motsetning til den samtidige varianten, fortsetter å overføre det aktuelle elementet over hele utvekslingsområdet for større effektivitet. Denne effektiviteten tillater vanligvis overføringsverdier på 100% med mottakerstrømmen som kommer ut av systemet med den samme konsentrasjonen av varme eller kjemikalier som donorstrømmen. Det samme kan ikke sies om samtidig utveksling, men med gjennomsnittlige overføringsverdier som kjører i området 50%. Dette gjør motstrømsutvekslingsmetoden passende for industrielle prosesser som regenerativ varmeveksling og biologiske overføringsmetoder inkludert nyre- og lungefunksjoner.