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.

Razmjena protoka toplotne struje: treba imati na umu postepeno opadajuću razliku i da nekada vrući i hladni mlazovi izlaze sa obrnutom razlikom temperature; vrući ulazni tok postaje izlazni hladniji tok i obrnuto.

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.

Tri postojeća sistema razmjene

Tri topologije sistema protivstrujne razmene

Protustrujna razmjena, zajedno sa istovremenom razmjenom, i kontrastrujnom razmjena sadrže mehanizme koji se koriste za prijenos nekih svojstava tečnosti iz jedne protočne struje fluida na drugu, preko barijere koja omogućava jednosmjerni protok sadržaja između njih. Preneseno svojstvo može biti toplota, koncentracija hemijska supstanca ili druga komponebta protoka.

Kada se prenosi toplota, između dvije cijevi, koristi se toplotno provodljiva membrana, a kada se prenosi koncentracija hemijske supstance koristi se polupropusna membrana.

Istovremeni protok – poluprenos

Gornja slika prikazuje je usporedbu između operacija i efekata sistema istovremene i protivstrujne razmjene protoka). Donji dijaframi: U oba se pretpostavlja (i naznačava) da crveni ima veću vrijednost (npr. temperaturu) od plavog i da svojstvo/komponenta koje se prevozi u kanalima stoga prelazi iz crvene u plavu. Kanali su susjedni ako se želi postići efektivna razmjena (tj. ne može biti praznine između njih).

U mehanizmu za istovremenu izmjenu protoka, dvije tečnosti teku u istom smjeru.

Kao što pokazuje dijagram mehanizma istovremene i protustrujne razmjene, sistem istodobne razmjene ima promjenjivi gradijent duž izmjenjivača. S jednakim protocima u dvije cijevi, ovaj način razmjene može premjestiti samo polovinu komponente iz jednog protoka u drugi, bez obzira na to koliko je izmjenjivač dugačak.

Ako svaka struja promijeni svojstvo da bude za 50% bliže svojstvu ulaznog stanja suprotnog toka, razmjena će se zaustaviti kad se dostigne točka ravnoteže, a gradijent je opao na nulu. U slučaju nejednakih protoka, stanje ravnoteže dogodit će se nešto bliže uvjetima toka s većim protokom.

Primjeri trenutnog toka

Istovremena i protivstrujna razmena toplote

Istovremeni izmjenjivač toplote je primjer mehanizma za istodobnu izmjenu protoka.
Dvije cijevi tekućine teku u istom smjeru. Jedna kreće vruća na 60 °C, druga hladna na 20 °C. Prijenos topline između dva protoka omogućava termoprovodljiva membrana ili otvoreni dio.

Vruća tečnost zagrijava hladnu, a hladna tečnost hladnu. Rezultat je toplotna ravnoteža: obje tečnosti završavaju na približno istoj temperaturi: 40  °C, gotovo tačno između dvije prvobitne temperature (20 i 60  °C). Na ulaznom kraju postoji velika temperaturna razlika, od 40  °C i veliki prijenos toplote; na izlaznom kraju postoji vrlo mala temperaturna razlika (obje su na istoj temperaturi od 40  °C ili blizu nje) i vrlo malo prijenosa topline ako uopće postoji. Ako se ravnoteža – kada su obje cijevi na istoj temperaturi – postigne prije izlaska tečnosti iz cijevi, neće se postići daljnji prijenos topline duž preostale dužine cijevi.

Sličan primjer je istovremena razmjena koncentracija. Sistem se sastoji od dvije cijevi, jedne sa salamurom (koncentrirana slana voda), druge sa slatkom vodom (koja u sebi ima nisku koncentraciju soli) i polupropusne membrane, koja omogućava prolazak samo vode između njih, u osmotskom procesu. Mnoge molekule vode prelaze iz toka slatke vode kako bi razrijedili salamuru, dok koncentracija soli u slatkoj vodi neprestano raste (budući da so ne napušta taj tok, dok voda odlazi). To će se nastaviti sve dok oba protoka ne postignu slično razrjeđenje, s koncentracijom negdje blizu sredine između dva originalna razrjeđenja. Jednom kada se to dogodi, više neće biti protoka između dviju cijevi, jer su obje sa sličnim razrjeđenjem tečnosti i više nema osmotskog pritiska.

Protivstrujni tok – skoro puni prijenos

U protustrujnom toku dva strujanja se kreću u suprotnim smjerovima.

Tekućine u dvije cijevi teku u suprotnim smjerovima, prenoseći svojstvo/komponenta iz jedne cijevi u drugu. Naprimjer, to može biti prijenos topline iz vrućeg protoka tečnosti u hladni ili prijenos koncentracije rastvorene otopljene tvari iz protoka tečnosti visoke koncentracije u protok niske koncentracije.

Sistem za izmjenu protivstruje može održavati gotovo konstantan gradijent između dva protoka cijelom dužinom kontakta. Uz dovoljno veliku dužinu i dovoljno nisku brzinu protoka, to može rezultirati gotovo cijelom prenesenom komponentom. Tako će, naprimjer, u slučaju izmjene topline, tekućina koja izlazi biti gotovo jednako vruća kao i toplota izvorne ulazne tečnosti.

Primjeri protočnih tokova

U protočnom izmjenjivaču toplote, vruća tekućina postaje hladna, a hladna postaje vruća. U ovom primjeru, topla voda na 60  °C ulazi u gornju cijev. Zagrijava vodu u donjoj cijevi koja je usput zagrijana, na gotovo 60  °C. Malena, ali postojeća razlika u toplini i dalje postoji, a prenosi se mala količina toplote, tako da temperatura vode koja izlazi iz donje cijevi iznosi blizu 60  °C. Budući da je ulaz vruće sa maksimalnom temperaturom od 60  °C, a izlazna voda na donjoj cijevi je gotovo na toj temperaturi, ali ne sasvim, voda u gornjoj cijevi može zagrijati onu donjoj, do dostizanja svoje vlastite temperature. Na hladnom kraju – voda izlazi iz gornje cijevi, jer je hladna voda koja ulazi u donju cijev i dalje hladna, sa 20  °C, pa može izvući i posljednju toplinu iz sada ohlađene tople vode u gornjoj cijevi, spuštajući njenu temperaturu gotovo na nivo ulazne tekućine za hladnoću (21  °C).

Rezultat toga je da gornja cijev, koja je primila toplu vodu sada ima hladnu vodu ostavljajući je na 20  °C, dok donja cijev koja je primila hladnu vodu sada emitira toplu vodu na blizu 60  °C. Zapravo je prenesena većina toplote.

Klasična protivstrujna izmjena ravnih cijevi

Uvjeti za veće količine prijenosa

Gotovo potpuni prijenos u sistemima koji provode protivstruju razmjenu moguć je samo ako su dva toka u nekom smislu "'jednaka'".

Za maksimalni prijenos koncentracije supstance potreban je jednak protok rastvarača i rastvora. Za maksimalan prenos toplote, prosjek specifičnog toplotnog kapaciteta i maseni protok moraju biti jednaki za svaki tok. Ako dva protoka nisu jednaka, naprimjer ako se toplina prenosi iz vode u zrak ili obrnuto, tada se, slično sistemima istodobne izmjene, očekuje promjena u nagibu zbog nakupljanja tekućine koja se ne prenosi pravilno.

Protivstrujna razmjena u biološkim sistemima

Rete mirabile = RM

Protustrujna razmjena u biološkim sistemima uočena je nakon što je Werner Kuhn otkrio protustrujne sisteme umnožavanja.

Protivstruja se široko koristi u biološkim sistemima u najrazličitije svrhe. Naprimjer, ribe ga koriste u škrgama za prenošenje kisika iz okolne vode u krv, a ptice kao izmjenjivač toplote između krvnih sudova u nogama, kako bi se toplota koncentrirala u njihovim tijelima. Kod kičmenjaka ova vrsta organa naziva se rete mirabile (izvorno ime organa u ribljim škrgama). Sisarski bubreg ima razmjenu protoka za uklanjanje vode iz mokraće, tako da tijelo može zadržati vodu koja se koristi za premještanje dušičnih otpadnih proizvoda.

Protivstrujna petlja umnožavanja

Dijagram petlje umnožavanja strujnog brojača

Petlja za multipliciranje protivstruje je sistem u kojem tečnost teče u petlji, tako da su ulaz i izlaz u sličnoj niskoj koncentraciji rastvorene supstance, ali na krajnjem dijelu petlje postoji visoka koncentracija te supstance. Puferska tečnost između ulazne i odlazne cijevi prima koncentriranu supstancu. Ulazne i odlazne cijevi se ne dodiruju.

Sistem omogućava postupno nakupljanje visoke koncentracije, dopuštajući prirodno nakupljanje koncentracije prema vrhu, unutar tekućine u cijevi (naprimjer pomoću osmoze vode iz ulazne cijevi i u pufersku tekućinu), te korištenje od mnogih pumpi aktivnog transporta, gdje je svako pumpanje samo na vrlo malom gradijentu, tokom izlaska iz petlje, vraćajući koncentraciju unutar izlazne cijevi na prvobitnu koncentraciju.

Dolazni protok koji započinje pri maloj koncentraciji ima polupropusnu membranu s vodom koja prolazi kroz tampon tečnost, putem osmoze pri malom gradijentu. Postoji postupno nakupljanje koncentracije unutar petlje sve dok njen vrh ne dosegne svoj maksimum.

Teorijski, sličan sistem mogao bi postojati ili biti izveden za razmjenu topline.

U primjeru prikazanom na slici, voda ulazi sa 299 mg / L (NaCl /H₂O). Prolazi zbog malog osmotskog pritiska do puferske tečnosti, u ovom primjeru, pri 300  mg/L (NaCl/ H₂O). Dalje prema petlji, nastavlja se protok vode iz cijevi u pufer, postupno povećavajući koncentraciju NaCl u cijevi, sve dok ne dosegne razinu od 1199 mg/L na vrhu. Puferska tečnost između dvije cijevi je u postepeno rastućoj koncentraciji, uvijek malo iznad dolazne tekućine, u ovom primjeru dosežući 1.200 mg/L. To je regulirano pumpanjem na povratnu cijev, što će biti odmah objašnjeno.

Vrh petlje ima najveću koncentraciju soli (NaCl) u dolaznoj cijevi – u gornjem primjeru 1.199  mg/L, a u puferu 1.200  mg/L. Povratna cijev ima aktivne transportne pumpe, koje ispumpavaju so u pufersku tečnost pri maloj razlici koncentracija, do 200 mg/L više nego u cijevi. Dakle, kada je, nasuprot 1.000  mg/L u puferskoj tečnosti, koncentracija u cijevi je 800 i potrebno je samo 200  mg/L za ispumpavanje. Ali isto vrijedi bilo gdje duž cijevi, tako da na izlazu iz petlje također treba pumpati samo 200 mg/L.

Zapravo, ovo se može promatrati kao postepeno umnožavanje – otuda i naziv pojave: multiplikator protivstruje ili mehanizam: protivstrujno umnožavanje, ali, u postojećem inženjerskom smislu, umnožavanje protivstruje je bilo koji postupak u kojem je potrebno samo malo pumpanje, zbog konstantne male razlike koncentracije ili toplote tokom procesa, koja se postepeno podiže do svog maksimuma. Ako željeni efekat postiže visoku koncentraciju na izlaznoj cijevii nije potrebna puferska tečnost.

U bubregu

Dijagram toka nefronskih iona

Henleova petlja (knjiga Grayjeva anatomija)

Kruženje tečnosti u Henleovoj petlji – važnom dijelu bubrega – omogućava postupno nakupljanje koncentracije urina u bubrezima, putem aktivnog transporta na izlaznim nefronima (tubule koje nose tečnost u procesu postepenog koncentriranja ureje). Aktivne transportne pumpe trebaju samo da prevladaju konstantan i nizak gradijent koncentracije, zbog protivstrujnog multiplikatorskog mehanizma. Iz tečnosti koja ulazi u nefrone, do izlaska iz petlje (vidi dijagram toka nefrona) prenose se razne supstance Slijed protoka je sljedeći:

• Bubrežno tjelašce: Tečnost ulazi u sistem nefrona na Bowmanovoj čahuri.
• Proksimalna izuvijana cijev tada može reapsorbirati ureu u gustom silaznom kraku. Tekućina iz Bowmanove čahure dolazi do gustog silaznog kraka. Tu se urea se može reapsorbovati u nisku (300 mOsm) osmotsku koncentraciju. Sartani inhibiraju apsorpciju ureje u debelom silaznom kraku, a kataliziraju je laktati i ketoni. Voda se uklanja iz nefrona putem osmoze (a glukoza i drugi ioni se ispumpavaju aktivnim transportom), postepeno povećavajući koncentraciju u nefronima.
• Silazni krak Henleove petlje: Tečnost prelazi iz tankog silaznog, u debeli uzlazni krak. Voda se neprestano oslobađa osmozom. Postepeno dolazi do stvaranja osmotske koncentracije, sve dok se na vrhu petlje ne postigne 1.200 mOsm, ali razlika na membrani ostaje mala i konstantna.

Naprimjer, tečnost na jednom dijelu unutar tankog silaznog kraka ima 400 mOsm, dok je vani 401. Dalje niz silazni krak, unutrašnja koncentracija je 500, dok je vani 501, tako da se zadržava konstantna razlika od 1 mOsm po cijeloj membrani, iako koncentracija iznutra i izvana postepeno raste.

• Uzlazni krak Henleove petlje: nakon vrha (ili zavoja) petlje, tečnost teče u uzlazni krak.

Ioni soli Na⁺ i Cl^– se ispumpavaju iz tečnosti postepeno, snižavajući koncentraciju u tekućini koja izlazi, ali, koristeći mehanizam protivstrujnog multiplikatora, uvijek pumpajući protiv konstantne i male osmotske razlike.

Naprimjer, pumpe na dijelu blizu zavoja ispumpavaju od 1.000 mOsm unutar uzlaznog kraka, a do 1.200 mOsm izvan njega, s 200 mOsm preko. Pumpe dalje uz tanki uzlazni ktak, ispumpavaju sa 400 mOsm u tečnost na 600 mOsm, pa se opet zadržava razlika od 200 mOsm iznutra prema vani, dok se koncentracija i iznutra i izvana postupno smanjuje kako protok tečnosti napreduje .

Tečnost konačno postiže nisku koncentraciju od 100 mOsm, kada napušta „tanki“ uzlazni krak i prolazi kroz „debeli“ .

• Distalna izuvijana cijev: Kada napusti Henleovu petlju, debeli uzlazni krak može se opcijski reapsorbirati i ponovno povećati koncentraciju u nefronima. kationi kalija (K ⁺) i vodika (H⁺), dok se oslobađa voda i nastavlja ispumpavanje kalcija (Ca⁺) i soli natrija (iona Na⁺ i Cl^–). Ponovljenu koncentraciju izlučivanjem iona kalcija i soli inhibiraju tiazidi, a kataliziraju antiantiuretski hormon i aldosteron
• Sabirni kanal prima tečnost, između 100 mOsm, ako se ne izvrši reapsorpcija, do 300 ili više ako je korištena ponovna apsorpcija. Sabirni kanal može nastaviti povećanje koncentraciju, ako je potrebno, postepenim ispumpavanjem istih iona kao i distalna izuvijana cijev, koristeći isti gradijent kao i uzlazni krakovi u Henleovoj petlji, i postizanjem iste koncentracije.
• Mokraćovod: tekući [mokraća|[urin]] prelazi u mokraćovod.
• Isti se princip koristi u hemodijalizi u aparatima za vještačke bubrege.

Također pogledajte

• Bubreg
• Dvosmjerni promet
• Ekonomizer
• Regenerativni izmjenjivač toplote
• Protustrujni multiplikator

Vanjski linkovi

• Countercurrent multiplier animation from Colorado University.
• Research about elephant seals using countercurrent heat exchange to keep heat from leaving their body while breathing out, during hibernation.
• Patent for a snow mask with a removable countercurrent exchange module which keeps the warmth from leaving the mask when breathing out.
• An industrial system for aerating waste water Arhivirano 17. 4. 2021. na Wayback Machine and sewage which works on the countercurrent exchange principle, without pipes. Air bubbles floating upwards meet water in a down current, causing more of the air to dissolve.