Protivstrujna razmjena

Protivstrujna razmjena je mehanizam koji se javlja u prirodi, a oponaša u industriji i inženjerstvu, u kojem dolazi do ukrštanja nekih svojstava, obično toplote ili neke hemikalije, između dva protočna tijela koja teku u suprotnim smjerovima. Tekuća tijela mogu biti tečnosti, plinvi ili čak čvrsti prahovi ili bilo koja njihova kombinacija. Naprimjer, u destilacijskoj koloni, ispavaju se mjehuriću kroz tekućinu koja teče prema dolje, izmjenjujući toplinu i masu.

Maksimalna količina prijenosa toplote ili mase koja se može dobiti veća je kod protivstruje nego kod paralelne izmjene, jer protivstruja održava polahko opadajuću razliku ili gradijent (obično temperaturnu ili koncentracijsku razliku). U datoj razmjeni početni gradijent je veći, ali brzo opada, što dovodi do gubljenja potencijala. Naprimjer, u susjednom dijagramu, tekućina koja se zagrijava (izlazi na vrh) ima višu izlaznu temperaturu od ohlađene tekućine (na dnu) koja je korištena za grijanje. Uz istovremenu ili paralelnu izmjenu, zagrijane i ohlađene tečnosti mogu se približiti samo jedna drugoj. Rezultat je da razmjena protivstruje može postići veću količinu prijenosa toplote ili mase od paralelne, u inače sličnim uvjetima. Pogledajte: Izmjenjivač toplote.

Kada je postavljena u krugu ili petlji, protivstrujna razmjena može se koristiti za stvaranje koncentracija, toplote ili drugih svojstava tečnih tekućina. Konkretno, kada je postavljena u petlju sa puferskom tečnošću između dolazne i odlazne tečnosti koja djrluje u krugu i sa aktivnim transportom u pumpama na cijevima odlazne tečnosti, sistem se naziva množitelj protoka, omogućavajući multiplicirani učinak mnogih malih pumpi da postepeno stvaraju veliku koncentraciju u puferskoj tečnosti.

Ostali krugovi za protivstrujnu razmjenu, u kojima se dolazne i odlazne tečnosti dodiruju, koriste se za zadržavanje visoke koncentracije rastvorene supstance ili za zadržavanje toplote ili pak za omogućavanje vanjskog nakupljanja toplote ili koncentracije u jednoj tački sistema.

Strujni krugovi ili petlje za protivstruju nalaze se opsežno u prirodi, posebno u biološkim sistemima. Kod kičmenjaka nazivaju se rete mirabile, izvorno ime ribljih organa u škrgama za apsorpciju kisika iz vode. Oponaša se u industrijskim sistemima. Protustruja je ključni koncept u hemijskom inženjerstvu, termodinamici i proizvodnim procesima, naprimjer u ekstrakciji saharoze iz korijena šećerne repe.

Protivstrujno umnožavanje je sličan, ali drugačiji koncept, gdje se tečnost kreće u petlji praćena velikim distancama kretanja u suprotnim smjerovima sa srednjom zonom. Cijev koja vodi do petlje pasivno gradi gradijent topline (ili hlađenja) ili koncentracije rastvarača, dok povratna cijev ima stalno malo pumpanje, tako da se prema petlji stvara postupno pojačavanje topline ili koncentracije. Protustrujno umnožavanje pronađeno je u bubrezima, kao i u mnogim drugim biološkim organima.