Противоточный обмен — это механизм, встречающийся в природе и имитируемый в промышленности и технике, в котором происходит кроссовер некоторого свойства, обычно тепла или какого-либо химического вещества, между двумя текущими телами, текущими в противоположных направлениях друг к другу. Текущие тела могут быть жидкостями, газами или даже твердыми порошками, или любой их комбинацией. Например, в ректификационной колонне пары барботируют через текущую вниз жидкость, обмениваясь как теплом, так и массой.
Максимальное количество тепло- или массопереноса, которое может быть получено, выше при противоточном обмене, чем при прямоточном (параллельном), поскольку противоток поддерживает медленно уменьшающуюся разницу или градиент (обычно разницу температур или концентраций). При прямоточном обмене начальный градиент выше, но быстро падает, что приводит к потере потенциала. Например, на соседней диаграмме нагреваемая жидкость (выходящая сверху) имеет более высокую выходную температуру, чем охлаждаемая жидкость (выходящая снизу), которая использовалась для нагрева. При прямоточном или параллельном обмене нагретая и охлажденная жидкости могут только приближаться друг к другу. Результатом является то, что противоточный обмен может достичь большего количества тепло- или массопереноса, чем параллельный при других аналогичных условиях.
См.: схема движения потока .
Противоточный обмен при установке в контуре или петле может использоваться для создания концентраций, тепла или других свойств текущих жидкостей. В частности, при установке в контуре с буферной жидкостью между входящей и исходящей жидкостью, работающей в контуре, и с активными транспортными насосами на трубах исходящей жидкости, система называется противоточным мультипликатором , позволяющим многократному эффекту многих небольших насосов постепенно создавать большую концентрацию в буферной жидкости.
Другие схемы противоточного обмена, в которых входящие и выходящие жидкости соприкасаются друг с другом, используются для сохранения высокой концентрации растворенного вещества или для сохранения тепла, или для обеспечения внешнего накопления тепла или концентрации в одной точке системы.
Противоточные обменные контуры или петли широко распространены в природе , особенно в биологических системах . У позвоночных они называются rete mirabile , изначально это было название органа в жабрах рыб , поглощающего кислород из воды. Он имитируется в промышленных системах. Противоточный обмен является ключевой концепцией в термодинамике химической инженерии и производственных процессах, например, при извлечении сахарозы из корнеплодов сахарной свеклы .
Противоточное умножение — это похожая, но другая концепция, когда жидкость движется по петле, за которой следует большой отрезок движения в противоположных направлениях с промежуточной зоной. Трубка, ведущая к петле, пассивно создает градиент тепла (или охлаждения) или концентрации растворителя, в то время как возвратная трубка имеет постоянное небольшое насосное действие по всей длине, так что постепенное усиление тепла или концентрации создается по направлению к петле. Противоточное умножение было обнаружено в почках [1], а также во многих других биологических органах.
Противоточный обмен и прямоточный обмен — это два механизма, которые используются для передачи некоторого свойства жидкости от одного текущего потока жидкости к другому через барьер, позволяющий одностороннее течение свойства между ними. Передаваемым свойством может быть тепло , концентрация химического вещества или другие свойства потока.
При передаче тепла между двумя трубками используется теплопроводящая мембрана, а при передаче концентрации химического вещества — полупроницаемая мембрана .
В механизме обмена с прямоточным потоком обе жидкости движутся в одном направлении.
Как показала схема механизмов прямоточного и противоточного обмена, система прямоточного обмена имеет переменный градиент по длине теплообменника. При равных потоках в двух трубах этот метод обмена способен переместить только половину имущества из одного потока в другой, независимо от длины теплообменника.
Если каждый поток изменит свои свойства, чтобы быть на 50% ближе к входному условию противоположного потока, обмен прекратится, когда будет достигнута точка равновесия, а градиент снизится до нуля. В случае неравных потоков условие равновесия будет наступать несколько ближе к условиям потока с более высоким расходом.
Прямоточный теплообменник является примером механизма обмена с прямоточным потоком.
В двух трубках жидкость течет в одном направлении. Одна начинается с горячей температуры 60 °C, вторая — с холодной 20 °C. Теплопроводящая мембрана или открытая секция обеспечивает передачу тепла между двумя потоками.
Горячая жидкость нагревает холодную, а холодная охлаждает теплую. Результатом является тепловое равновесие: обе жидкости в конечном итоге оказываются примерно при одной и той же температуре: 40 °C, почти точно между двумя исходными температурами (20 и 60 °C). На входном конце наблюдается большая разница температур в 40 °C и большая теплопередача; на выходном конце наблюдается очень маленькая разница температур (обе имеют одинаковую температуру 40 °C или близкую к ней) и очень малая теплопередача, если она вообще есть. Если равновесие — когда обе трубки имеют одинаковую температуру — достигается до выхода жидкости из трубок, то никакой дальнейшей теплопередачи по оставшейся длине трубок не будет.
Похожий пример — прямоточный концентрационный обмен . Система состоит из двух трубок, одна с рассолом (концентрированная соленая вода), другая с пресной водой (которая имеет низкую концентрацию соли в ней), и полупроницаемой мембраны , которая позволяет проходить между ними только воде в осмотическом процессе . Многие молекулы воды переходят из потока пресной воды, чтобы разбавить рассол, в то время как концентрация соли в пресной воде постоянно растет (поскольку соль не покидает этот поток, а вода покидает). Это будет продолжаться, пока оба потока не достигнут одинакового разбавления, с концентрацией где-то близкой к середине между двумя исходными разбавлениями. Как только это произойдет, больше не будет потока между двумя трубками, поскольку обе находятся в одинаковом разбавлении, и больше нет осмотического давления .
При противотоке два потока движутся в противоположных направлениях.
В двух трубках жидкость течет в противоположных направлениях, передавая свойство из одной трубки в другую. Например, это может быть передача тепла от горячего потока жидкости к холодному или передача концентрации растворенного вещества из потока жидкости с высокой концентрацией в поток с низкой концентрацией.
Система противоточного обмена может поддерживать почти постоянный градиент между двумя потоками по всей длине их контакта. При достаточно большой длине и достаточно низкой скорости потока это может привести к тому, что почти все свойство будет передано. Так, например, в случае теплообмена выходящая жидкость будет почти такой же горячей, как и тепло исходной входящей жидкости.
В противоточном теплообменнике горячая жидкость становится холодной, а холодная жидкость становится горячей.
В этом примере горячая вода температурой 60 °C поступает в верхнюю трубу. Она нагревает воду в нижней трубе, которая была нагрета по пути, почти до 60 °C. Небольшая, но существующая разница в тепле все еще существует, и небольшое количество тепла передается, так что вода, выходящая из нижней трубы, имеет температуру, близкую к 60 °C. Поскольку горячий вход имеет максимальную температуру 60 °C, а выходящая вода в нижней трубе имеет почти эту температуру, но не совсем, вода в верхней трубе может нагреть воду в нижней трубе почти до ее собственной температуры. На холодном конце — выходе воды из верхней трубы, поскольку холодная вода, поступающая в нижнюю трубу, все еще холодная и имеет температуру 20 °C, она может извлечь остатки тепла из уже охлажденной горячей воды в верхней трубе, понизив ее температуру почти до уровня холодной входящей жидкости (21 °C).
В результате верхняя труба, по которой поступала горячая вода, теперь имеет холодную воду, выходящую при температуре 20 °C, в то время как нижняя труба, по которой поступала холодная вода, теперь выпускает горячую воду с температурой около 60 °C. По сути, большая часть тепла была передана.
Почти полная передача в системах, реализующих противоточный обмен, возможна только в том случае, если оба потока в некотором смысле «равны».
Для максимальной передачи концентрации вещества требуется равный расход растворителей и растворов . Для максимальной теплопередачи средняя удельная теплоемкость и массовый расход должны быть одинаковыми для каждого потока. Если два потока не равны, например, если тепло передается от воды к воздуху или наоборот, то, подобно системам прямоточного обмена, ожидается изменение градиента из-за накопления свойства, которое не передается должным образом. [2]
Противоточный обмен широко используется в биологических системах для самых разных целей. Например, рыбы используют его в своих жабрах для переноса кислорода из окружающей воды в кровь, а птицы используют противоточный теплообменник между кровеносными сосудами в ногах, чтобы сохранять тепло, сконцентрированное внутри их тела. У позвоночных этот тип органа называется rete mirabile (первоначально название органа в жабрах рыб). Почки млекопитающих используют противоточный обмен для удаления воды из мочи, чтобы организм мог удерживать воду, используемую для перемещения азотистых отходов (см. противоточный множитель).
Противоточная петля умножения представляет собой систему, в которой жидкость течет в петле таким образом, что вход и выход находятся в одинаково низкой концентрации растворенного вещества, но на дальнем конце петли наблюдается высокая концентрация этого вещества. Буферная жидкость между входящей и выходящей трубками принимает концентрированное вещество. Входящая и выходящая трубки не касаются друг друга.
Система позволяет постепенно наращивать высокую концентрацию, допуская естественное нарастание концентрации по направлению к кончику внутри входящей трубы (например, с помощью осмоса воды из входной трубы в буферную жидкость), а также используя множество активных транспортных насосов, каждый из которых качает только против очень небольшого градиента на выходе из контура, возвращая концентрацию внутри выходной трубы к исходной концентрации.
Входящий поток, начинающийся с низкой концентрации, имеет полупроницаемую мембрану с водой, проходящей в буферную жидкость посредством осмоса с небольшим градиентом. Происходит постепенное нарастание концентрации внутри петли до кончика петли, где она достигает своего максимума.
Теоретически подобная система могла бы существовать или быть построена для теплообмена.
В примере, показанном на изображении, вода поступает при 299 мг/л (NaCl / H 2 O). Вода проходит из-за небольшого осмотического давления в буферную жидкость, в этом примере при 300 мг/л (NaCl / H 2 O). Далее по петле происходит непрерывный поток воды из трубки в буфер, постепенно повышая концентрацию NaCl в трубке, пока она не достигнет 1199 мг/л на кончике. Буферная жидкость между двумя трубками имеет постепенно повышающуюся концентрацию, всегда немного выше входящей жидкости, в этом примере достигая 1200 мг/л. Это регулируется насосным действием на возвратной трубке, как будет объяснено немедленно.
Кончик петли имеет самую высокую концентрацию соли (NaCl) во входящей трубке — в примере 1199 мг/л, а в буфере 1200 мг/л. Возвратная трубка имеет активные транспортные насосы, откачивающие соль в буферную жидкость при небольшой разнице концентраций до 200 мг/л больше, чем в трубке. Таким образом, когда напротив 1000 мг/л в буферной жидкости концентрация в трубке составляет 800 и только 200 мг/л нужно откачать. Но то же самое справедливо в любом месте вдоль линии, так что на выходе из петли также нужно откачать только 200 мг/л.
По сути, это можно рассматривать как постепенно умножающийся эффект — отсюда и название явления: «противотоковый умножитель» или механизм: противоточное умножение, но в современных инженерных терминах противоточное умножение — это любой процесс, где требуется лишь небольшая прокачка, из-за постоянной небольшой разницы концентрации или тепла по ходу процесса, постепенно поднимающегося до своего максимума. Нет необходимости в буферной жидкости, если желаемый эффект заключается в получении высокой концентрации в выходной трубе. [3]
Кругооборот жидкости в петле Генле — важной части почек — позволяет постепенно наращивать концентрацию мочи в почках, используя активный транспорт на выходящих нефронах (трубочках, переносящих жидкость в процессе постепенного концентрирования мочевины). Активным транспортным насосам нужно только преодолеть постоянный и низкий градиент концентрации из-за противоточного множительного механизма. [4]
Различные вещества проходят из жидкости, поступающей в нефроны, до выхода из петли (см. схему потока нефрона). Последовательность потока следующая:
Первоначально механизм противоточного обмена и его свойства были предложены в 1951 году профессором Вернером Куном и двумя его бывшими студентами, которые назвали механизм, обнаруженный в петле Генле в почках млекопитающих, противоточным множителем [ 14] и подтверждены лабораторными данными в 1958 году профессором Карлом В. Готтшалком . [15] Теория была признана годом позже после того, как тщательное исследование показало, что осмотической разницы между жидкостями по обе стороны нефронов практически нет. [16] Гомер Смит , значительный современный авторитет в области физиологии почек, выступал против модельной противоточной концентрации в течение 8 лет, пока не уступил свои позиции в 1959 году. [17] С тех пор в биологических системах было обнаружено много похожих механизмов, наиболее заметным из которых является rete mirabile у рыб.
В холодную погоду приток крови к конечностям птиц и млекопитающих уменьшается под воздействием холодных условий окружающей среды и возвращается в туловище через глубокие вены, которые лежат рядом с артериями (образуя venae comitantes ). [19] [20] [21] Это действует как система противоточного обмена, которая замыкает тепло из артериальной крови непосредственно в венозную кровь, возвращающуюся в туловище, вызывая минимальную потерю тепла из конечностей в холодную погоду. [18] [19] Подкожные вены конечностей сильно сужаются, тем самым уменьшая потерю тепла по этому маршруту и заставляя кровь возвращаться из конечностей в системы противоточного кровотока в центрах конечностей. Птицы и млекопитающие, которые регулярно погружают свои конечности в холодную или ледяную воду, имеют особенно хорошо развитую систему противоточного кровотока в конечностях, что позволяет длительное время подвергать конечности воздействию холода без значительной потери тепла тела, даже если конечности такие же тонкие, как, например , голени или лапки птицы. [20]
Когда животные, такие как кожистая черепаха и дельфины, находятся в более холодной воде, к которой они не акклиматизированы, они используют этот механизм CCHE для предотвращения потери тепла через свои ласты , хвостовые плавники и спинные плавники . Такие системы CCHE состоят из сложной сети периартериальных венозных сплетений , или venae comitantes, которые проходят через жир от их минимально изолированных конечностей и тонких обтекаемых выступов. [20] Каждое сплетение состоит из центральной артерии, содержащей теплую кровь от сердца, окруженной пучком вен, содержащих холодную кровь с поверхности тела. Поскольку эти жидкости протекают мимо друг друга, они создают тепловой градиент, в котором тепло передается и удерживается внутри тела. Теплая артериальная кровь передает большую часть своего тепла холодной венозной крови, которая теперь поступает извне. Это сохраняет тепло, рециркулируя его обратно в ядро тела. Поскольку артерии отдают значительную часть своего тепла при этом обмене, меньше тепла теряется через конвекцию на периферийной поверхности. [18]
Другой пример можно найти в ногах песца, ступающего по снегу. Лапы обязательно холодные, но кровь может циркулировать, чтобы доставлять питательные вещества к лапам, не теряя много тепла от тела. Близость артерий и вен в ноге приводит к теплообмену, так что по мере того, как кровь течет вниз, она становится холоднее и не теряет много тепла в снег. Когда (холодная) кровь течет обратно вверх от лап по венам, она забирает тепло у крови, текущей в противоположном направлении, так что она возвращается к туловищу в теплом состоянии, позволяя лисе поддерживать комфортную температуру, не теряя ее в снегу. Эта система настолько эффективна, что песец не начинает дрожать, пока температура не упадет до −70 °C (−94 °F).
У морских и пустынных птиц обнаружена солевая железа около ноздрей, которая концентрирует рассол, который затем «чихается» в море, что фактически позволяет этим птицам пить морскую воду без необходимости искать пресноводные ресурсы. Это также позволяет морским птицам удалять избыток соли, поступающий в организм во время еды, плавания или ныряния в море за пищей. Почки не могут удалить эти количества и концентрации соли. [22] [23]
Железа, вырабатывающая соль, была обнаружена у морских птиц, таких как пеликаны , буревестники , альбатросы , чайки и крачки . Она также была обнаружена у намибийских страусов и других пустынных птиц, у которых накопление концентрации соли происходит из-за обезвоживания и нехватки питьевой воды.
У морских птиц солевая железа находится над клювом, ведет к главному каналу над клювом, и вода выдувается из двух маленьких ноздрей на клюве, чтобы опорожнить ее. Солевая железа имеет два противоточных механизма, работающих в ней:
a. Система извлечения соли с противоточным механизмом размножения, где соль активно перекачивается из кровяных «венул» (мелких вен) в трубочки железы. Хотя жидкость в трубочках имеет более высокую концентрацию соли, чем кровь, поток организован в противоточном обмене, так что кровь с высокой концентрацией соли поступает в систему близко к месту выхода трубочек железы и соединяется с главным каналом. Таким образом, по всей железе есть только небольшой градиент, по которому нужно подняться, чтобы протолкнуть соль из крови в соленую жидкость с помощью активного транспорта, приводимого в действие АТФ .
б) Система кровоснабжения железы работает по принципу противоточного обменного цикла, что позволяет поддерживать высокую концентрацию соли в крови железы, не допуская ее обратного поступления в кровеносную систему.
Железы эффективно удаляют соль и, таким образом, позволяют птицам пить соленую воду из окружающей среды, находясь в сотнях миль от земли. [24] [25]
Противоточная хроматография — это метод разделения, основанный на дифференциальном разделении аналитов между двумя несмешивающимися жидкостями с использованием противоточного или прямоточного потока. [26] Развиваясь от противоточного распределения Крейга (CCD), наиболее широко используемый термин и аббревиатура — контртоковая хроматография (CCC), [27] в частности, при использовании гидродинамических приборов CCC. Термин распределительная хроматография в значительной степени является синонимом и преимущественно используется для гидростатических приборов CCC.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )