Противоточный обмен — это высокоэффективное природное явление теплового или химического переноса между жидкими телами. Этот процесс происходит через проводящую поверхность в случае теплоты или частично проницаемую мембрану в случае химического обмена. При противоточном обмене жидкости донора и реципиента всегда текут в противоположных направлениях, что придает процессу эффективность и название. Противоточный обмен встречается во многих биологических системах, таких как почки млекопитающих, легкие птиц и жабры рыб, и является широко используемой системой промышленного химического и теплового переноса. Аналогичная система представляет собой параллельный обменный процесс, который менее эффективен и включает переносы между жидкостями, текущими в одном направлении.
Обмен тепловой энергией или взвешенными веществами между текущими жидкостями — обычное явление как в природе, так и в промышленности. Эти потоковые обмены можно разделить на две группы: параллельные и противоточные. Оба включают обмен теплом или взвешенными химическими веществами между жидкостями, текущими в соседних сосудах либо через проводящие поверхности, либо через полупроницаемые мембраны, соответственно. По мере того, как жидкости проходят через их общие области, тепло и химические вещества естественным образом перетекают из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, пока не будет достигнуто равновесие. . Именно эта характеристика переноса элементов делает метод противоточного обмена более эффективным из двух.
Процесс переноса кислорода в жабрах рыбы является хорошим примером преимуществ противоточного обмена. Когда бедная кислородом кровь встречается с противоположным потоком воды, богатой кислородом, кислород начинает диффундировать из воды в кровоток. Это приводит к снижению концентрации кислорода в воде и повышению концентрации кислорода в крови. Из-за того, что направления потоков противоположны, кровь всегда будет течь по воде с более высокой концентрацией кислорода и обмен будет продолжаться до тех пор, пока потоки не разойдутся. Однако в параллельных потоках две жидкости текут в одном направлении, и соотношение между концентрациями быстро достигает равновесия, тем самым эффективно прекращая обмен.
Это означает, что в отличие от параллельного варианта, системы противоточного обмена продолжают передавать соответствующий элемент по всей площади обмена для большей эффективности. Эта эффективность обычно обеспечивает значения переноса 100% при выходе потока реципиента из системы с той же концентрацией тепла или химических веществ, что и в потоке донора. Однако этого нельзя сказать об одновременных обменах, поскольку средняя стоимость передачи составляет около 50%. Это делает метод противоточного обмена подходящим для промышленных процессов, таких как методы регенеративного теплообмена и биологического переноса, включая почечные и легочные функции.
