Co to jest wymiana przeciwprądowa?

Wymiana przeciwprądowa jest wysoce wydajnym, naturalnie występującym zjawiskiem termicznego lub chemicznego transferu między ciałami płynnymi. Proces ten zachodzi przez powierzchnię przewodzącą w przypadku ciepła lub częściowo przepuszczalną membranę w przypadku wymiany chemicznej. W wymianach przeciwprądowych płyn dawcy i biorcy zawsze płynie w przeciwnych kierunkach, co jest cechą, która nadaje procesowi zarówno jego skuteczność, jak i nazwę. Wymiana przeciwprądowa występuje w wielu układach biologicznych, takich jak nerki ssaków, płuca ptaków i skrzela ryb, i jest powszechnie stosowanym przemysłowym systemem transferu chemicznego i termicznego. Podobny system jest równoczesnym procesem wymiany, który jest mniej skuteczny i obejmuje transfery między płynami przepływającymi w tym samym kierunku.

Wymiana energii cieplnej lub substancji zawieszonych między płynącymi płynami jest powszechnym zjawiskiem zarówno w przyrodzie, jak i przemyśle. Te wymiany przepływów prądu można podzielić na dwie grupy: współbieżną i przeciwprądową. Oba polegają na wymianie ciepła lub zawieszonych chemikaliów między płynami przepływającymi w sąsiednich naczyniach, odpowiednio, za pośrednictwem powierzchni przewodzących lub półprzepuszczalnych membran. Gdy płyny przepływają przez ich wspólne obszary, ciepło i chemikalia naturalnie przepływają z obszarów o wysokim do niskiego stężenia, aż do osiągnięcia równowagi. Właśnie ta cecha przenoszenia elementarnego sprawia, że ​​metoda wymiany przeciwprądowej jest bardziej skuteczna z tych dwóch.

Proces transferu tlenu w skrzelach ryb jest dobrym przykładem korzyści wymiany przeciwprądowej. Kiedy krew uboga w tlen napotyka przeciwny przepływ wody bogatej w tlen, tlen zaczyna dyfundować z wody do krwiobiegu. Powoduje to spadek stężenia tlenu w wodzie i wzrost we krwi. Z uwagi na fakt, że kierunki przepływu są przeciwne, krew zawsze będzie przepływać nad wodą o wyższym stężeniu tlenu, a wymiana będzie kontynuowana, dopóki przepływy się nie rozejdą. Jednak w przepływach równoległych oba płyny płyną w tym samym kierunku, a związek między stężeniami szybko osiąga równowagę, skutecznie zatrzymując wymianę.

Oznacza to, że w przeciwieństwie do wariantu współbieżnego, systemy wymiany przeciwprądowej kontynuują przenoszenie odpowiedniego elementu na cały obszar wymiany w celu zwiększenia wydajności. Wydajność ta zazwyczaj pozwala na przeniesienie wartości 100% przy przepływie odbiorcy wychodzącym z systemu przy takim samym stężeniu ciepła lub chemikaliów, jak w przypadku przepływu dawcy. To samo nie można powiedzieć o równoczesnych wymianach, przy średnich wartościach transferu rzędu 50%. To sprawia, że ​​metoda wymiany przeciwprądowej jest odpowiednia dla procesów przemysłowych, takich jak regeneracyjna wymiana ciepła i metody transferu biologicznego, w tym funkcje nerek i płuc.