Vad är motströmsbyte?

Motströmsbyte är ett mycket effektivt, naturligt förekommande fenomen av termisk eller kemisk överföring mellan vätskekroppar. Denna process äger rum genom en ledande yta i fallet med värme eller ett delvis permeabelt membran vid kemisk utbyte. I motströmsbyten flödar givaren och mottagarvätskan alltid i motsatta riktningar, en egenskap som ger processen både dess effektivitet och dess namn. Motströmsutbyte finns i många biologiska system såsom däggdjurens njurar, fågel lungor och fiskgälar och är ett vanligt använt industriellt kemiskt och termiskt överföringssystem. Ett liknande system är den samtidiga utbytesprocessen som är mindre effektiv och har överföringar mellan vätskor som strömmar i samma riktning.

Utbyte av termisk energi eller suspenderade ämnen mellan strömmande vätskor är ett vanligt fenomen både i natur och industri. Dessa strömningsutbyten kan delas upp i två grupper: samtidiga och motströmsströmmar. Båda involverar utbyte av värme eller suspenderade kemikalier mellan vätskor som strömmar i angränsande kärl, antingen via ledande ytor respektive halvgenomträngliga membran. När vätskorna flyter över deras delade områden, flödar värme och kemikalier naturligt från områden med hög till låg koncentration tills jämvikt har uppnåtts. Det är detta kännetecken för elementär överföring som gör motströmsväxlingsmetoden mer effektiv av de två.

Processen med syreöverföring i fiskens källor är ett bra exempel på fördelarna med motströmsbyte. Eftersom syrefattigt blod möter ett motsatt flöde av syrgasrikt vatten börjar syret att diffundera ur vattnet och in i blodströmmen. Detta får koncentrationen av syre i vattnet att sjunka och att blodet stiger. På grund av det faktum att flödesriktningarna är motsatta, kommer blodet alltid att flyta över vatten med en högre koncentration av syre och utbytet kommer att fortsätta tills flöden avviker. I samtidiga flöden flödar emellertid de två vätskorna i samma riktning och förhållandet mellan koncentrationer når snabbt jämvikt, vilket effektivt stoppar utbytet.

Detta betyder att till skillnad från den samtidiga varianten fortsätter motströmsväxlingssystem att överföra det relevanta elementet över hela utbytesområdet för ökad effektivitet. Denna effektivitet tillåter vanligtvis överföringsvärden på 100% med mottagarflödet som lämnar systemet med samma koncentration av värme eller kemikalier som donatorflödet. Detsamma kan inte sägas om samtidiga utbyten, med genomsnittliga överföringsvärden som löper i området 50%. Detta gör motströmsutbytesmetoden lämplig för industriella processer såsom regenerativ värmeväxling och biologiska överföringsmetoder inklusive njur- och lungfunktioner.