Противоточный обмен - Countercurrent exchange

Противодействие теплообмену: обратите внимание на постепенное уменьшение разницы и на то, что когда-то горячий и холодный потоки выходят с обратной разницей температур; более горячий входящий поток становится выходящим более холодным потоком и наоборот.

Противоточный обмен - это механизм, встречающийся в природе и имитируемый в промышленности и технике, при котором происходит пересечение некоторого свойства, обычно тепла или какого-либо химического вещества, между двумя текущими телами, движущимися в противоположных направлениях друг к другу. Текущие тела могут быть жидкостями, газами или даже твердыми порошками или любой их комбинацией. Например, в дистилляционной колонне пары пузыриться вверх через текущую вниз жидкость, при этом обмениваясь теплом и массой.

Максимальное количество теплопередачи или массообмена, которое может быть получено, выше при противотоке, чем при параллельном (параллельном) обмене, потому что противоток поддерживает медленно убывающую разницу или градиент (обычно разницу температур или концентраций). При параллельном обмене начальный градиент выше, но быстро спадает, что приводит к потере потенциала. Например, на соседней диаграмме нагреваемая жидкость (выходящая из верхней части) имеет более высокую температуру на выходе, чем охлажденная текучая среда (выходящая из нижней части), которая использовалась для нагрева. При параллельном или параллельном обмене нагретые и охлаждаемые жидкости могут только приближаться друг к другу. В результате противоточный обмен может обеспечить больший тепло- или массообмен, чем при параллельном при прочих равных условиях. Смотрите: расположение потока .

Противоточный обмен при установке в контуре или контуре можно использовать для создания концентраций, тепла или других свойств текущих жидкостей. В частности, при установке в контуре с буферной жидкостью между входящей и исходящей текучей средой, протекающей в контуре, и с активными транспортными насосами на трубках исходящей текучей среды, система называется противоточным умножителем , позволяющим многократно усиливать эффект множества небольших насосов. постепенно увеличивайте 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.

Цепи или контуры противоточного обмена широко распространены в природе , особенно в биологических системах . У позвоночных их называют rete mirabile , первоначально так назывался орган в жабрах рыб, поглощающий кислород из воды. Это имитируется в промышленных системах. Противоточный обмен - ключевая концепция термодинамики химической инженерии и производственных процессов, например, при извлечении сахарозы из корнеплодов сахарной свеклы .

Противоточное умножение - это похожая, но другая концепция, когда жидкость движется по петле, за которой следует длительное движение 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 перекачивающее действие по всей длине, так что создается постепенное усиление тепла или концентрации по направлению к петле. Противоточное размножение было обнаружено в почках, а также во многих других биологических органах.

Три системы обмена токами

Три топологии противоточных систем обмена

Противоточный обмен вместе с прямоточным обменом и встречным обменом включают механизмы, используемые для передачи некоторого свойства жидкости от одного протекающего потока жидкости к другому через барьер, позволяя одностороннее течение свойства между ними. Имущество , переданное может быть тепло , концентрацией из химического вещества , или другие свойства потока.

При передаче тепла между двумя трубками используется теплопроводящая мембрана, а при передаче концентрации химического вещества используется полупроницаемая мембрана .

Попутный поток - полуперенос

Сравнение операций и эффектов параллельной и противоточной систем обмена показано на верхней и нижней диаграммах соответственно. В обоих случаях предполагается (и указывается), что красный цвет имеет более высокое значение (например, температуру), чем синий, и что свойство, передаваемое в каналах, поэтому передается от красного к синему. Обратите внимание, что каналы являются смежными, если должен произойти эффективный обмен (т. Е. Между каналами не может быть промежутка).

В механизме обмена прямоточным потоком две жидкости текут в одном направлении.

Как показано на схеме механизмов прямоточного и противоточного обмена, система прямоточного обмена имеет переменный градиент по длине теплообменника. При равных потоках в двух трубках этот метод обмена позволяет перемещать только половину собственности из одного потока в другой, независимо от длины теплообменника.

Если каждый поток изменяет свое свойство, чтобы быть на 50% ближе к состоянию входа противоположного потока, обмен остановится, когда будет достигнута точка равновесия, и градиент снизится до нуля. В случае неравных потоков состояние равновесия будет несколько ближе к условиям потока с более высоким расходом.

Примеры прямоточного течения

Прямоточный и противоточный теплообмен

Прямоточный теплообменник представляет собой пример механизма обмена прямоточного потока.
В двух трубках жидкость течет в одном направлении. Один запускается горячим при 60 ° C, второй - холодным при 20 ° C. Термопроводящая мембрана или открытая секция обеспечивают теплопередачу между двумя потоками.

Горячая жидкость нагревает холодную, а холодная охлаждает теплую. Результатом является тепловое равновесие: обе жидкости в конечном итоге имеют примерно одинаковую температуру: 40 ° C, почти точно между двумя исходными температурами (20 и 60 ° C). На входе большой перепад температур 40 ° C и большая теплопередача; на выходе очень небольшая разница температур (оба 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, дальнейшая теплопередача не будет достигнута по оставшейся длине трубок.

Аналогичным примером является параллельный обмен концентрацией . Система состоит из двух трубок, одна с рассолом (концентрированная соленая вода), другая с пресной водой (с низкой концентрацией соли), и полупроницаемой мембраны, которая позволяет только воде проходить между ними в осмотическом процессе. . Многие молекулы воды выходят 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 выходит). Это будет продолжаться до тех пор, пока оба потока не достигнут одинакового разбавления с концентрацией, близкой к середине между двумя исходными разбавлениями. Как только это произойдет, между двумя трубками больше не будет потока, поскольку обе имеют одинаковое разбавление и осмотическое давление больше не будет .

Противоток - почти полная передача

Схема спирального противоточного теплообмена

В противотоке два потока движутся в противоположных направлениях.

В двух трубках жидкость течет в противоположных направлениях, передавая свойство от одной трубки к другой. Например, это может быть передача тепла от горячего потока жидкости к холодному или перенос 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 низком расходе это может привести к передаче почти всего имущества. Так, например, в случае теплообмена выходящая жидкость будет почти такой же горячей, как тепло исходной входящей жидкости.

Примеры противотока

В противоточном теплообменнике горячая жидкость становится холодной, а холодная жидкость становится горячей.

В этом примере горячая вода с температурой 60 ° C поступает в верхнюю трубу. Он нагревает воду в нижней трубе, которая была подогрета по пути, почти до 60 ° C. Минуту, но существующая разница тепла все еще существует, и передается небольшое количество тепла, так что вода, выходящая из нижней трубы, имеет температуру около 60 ° C. Поскольку максимальная температура на входе горячей воды составляет 60 ° C, а температура воды на выходе из нижней трубы почти равна этой температуре, но не совсем, вода в верхней трубе может нагреть воду в нижней трубе почти до своей температуры. . На холодном конце - выход воды из верхней трубы, поскольку холодная вода, поступающая в нижнюю трубу, все еще остается холодной при 20 ° C, она может отбирать остатки тепла из уже остывшей горячей воды в верхней трубе, в результате чего его температура снижается почти до уровня охлаждающей жидкости (21 ° C).

В результате из верхней трубы, в которую поступала горячая вода, теперь выходит холодная вода с температурой 20 ° C, а из нижней трубы, в которую поступала холодная вода, теперь выделяется горячая вода с температурой около 60 ° C. Фактически, большая часть тепла была передана.

Условия получения более высоких результатов перевода

Почти полная передача в системах, реализующих противоточный обмен, возможна только в том случае, если два 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, как и в системах параллельного обмена, ожидается изменение градиента из-за некорректной передачи нарастания свойства.

Противоточный обмен в биологических системах

Rete mirabile = RM

Противоточный обмен в биологических системах произошел после открытия Вернером Куном противоточных систем размножения .

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 удерживать тепло внутри тела. У позвоночных этот тип органа называется ретемирабилем (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 продуктов жизнедеятельности (см. Множитель противотока ).

Противоточная петля умножения

Схема петли умножения противотока

Контур противоточного размножения - это система, в которой жидкость течет по петле, так что вход и выход имеют одинаковую низкую концентрацию растворенного вещества, но на дальнем конце петли наблюдается высокая концентрация этого вещества. Буферная жидкость между входящей и выходной трубками принимает концентрированное вещество. Входящие и исходящие трубки не касаются друг друга.

Система позволяет постепенно наращивать высокую концентрацию, позволяя естественное наращивание концентрации по направлению к наконечнику внутри входной трубы (например, используя осмос воды из входной трубы в буферную жидкость), и используя многих активных транспортных насосов, каждый из которых перекачивает только против очень небольшого градиента во время выхода из контура, возвращая концентрацию внутри выходной трубы к исходной концентрации.

Входящий поток, начинающийся с низкой концентрации, имеет полупроницаемую мембрану, в которой вода поступает в буферную жидкость посредством осмоса с небольшим градиентом. Внутри петли происходит постепенное нарастание концентрации, пока кончик петли не достигает своего максимума.

Теоретически подобная система может существовать или быть построена для теплообмена.

В примере, показанном на изображении, вода поступает с концентрацией 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 непрерывно течет вода из пробирки в буфер, постепенно повышая концентрацию NaCl в пробирке до тех пор, пока она не достигнет 1199 мг / л на кончике. Буферная жидкость между двумя трубками имеет постепенно возрастающую концентрацию, всегда немного выше поступающей жидкости, в этом примере достигая 1200 мг / л. Это регулируется перекачивающим действием на возвратной трубе, как будет сразу объяснено.

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, перекачивающие соль в буферную жидкость при небольшой разнице концентраций до 200 мг / л больше, чем в трубке. Таким образом, когда в буферной жидкости 1000 мг / л, концентрация в пробирке составляет 800, и нужно откачать только 200 мг / л. Но то же самое верно для любого участка линии, так что на выходе из контура также необходимо закачать только 200 мг / л.

Фактически, это можно рассматривать как постепенно усиливающийся эффект - отсюда и название явления: «противоточный множитель» или механизм: противоточное умножение, но в текущих технических терминах противоточное умножение - это любой процесс, в котором требуется лишь небольшая накачка, из-за постоянной небольшой разницы концентрации или тепла в процессе, постепенно повышаясь до максимума. Нет необходимости в буферной жидкости, если желаемый эффект заключается в получении высокой концентрации на выходе из трубы.

В почках

Блок-схема Nephron Ion
Петля Генле ( книга Грея по анатомии )

Контур жидкости в петле Генле - важная часть почек, позволяющая постепенно наращивать концентрацию мочи в почках, используя активный транспорт по выходящим нефронам (канальцам, переносящим жидкость в процессе постепенной концентрации мочевины). . Активным транспортным насосам необходимо только преодолеть постоянный и низкий градиент концентрации из-за противоточного механизма умножения.

Различные вещества проходят от жидкости, входящей в нефроны, до выхода из петли (см. Схему потока нефрона). Последовательность потока следующая:

  • Почечное тельце : жидкость попадает в систему нефронов через капсулу Боумена .
  • Проксимальный извитый каналец : затем он может реабсорбировать мочевину в толстой нисходящей конечности . Вода удаляется из нефронов путем осмоса (а глюкоза и другие ионы откачиваются с помощью активного транспорта ), постепенно повышая концентрацию в нефронах.
  • Нисходящая петля Генле : жидкость переходит от тонкой нисходящей конечности к толстой восходящей конечности. Вода постоянно выделяется через осмос. Постепенно происходит нарастание осмотической концентрации, пока на конце петли не будет достигнуто 1200 мОсм, но разница на мембране остается небольшой и постоянной.
Например, жидкость в одной секции внутри тонкого нисходящего плеча составляет 400 мОсм, а снаружи - 401. Далее по нисходящему краю внутренняя концентрация составляет 500, а снаружи - 501, поэтому постоянная разница в 1 мОсм сохраняется. через мембрану, хотя концентрация внутри и снаружи постепенно увеличивается.
  • Восходящая петля Генле : после кончика (или «изгиба») петли жидкость течет по тонкой восходящей конечности . Ионы соли натрия Na + и хлорида Cl - откачиваются из жидкости, постепенно снижая концентрацию в выходящей жидкости, но, используя противоточный механизм умножения , всегда откачивают против постоянной и небольшой осмотической разницы.
Например, насосы на участке, близком к изгибу, откачивают от 1000 мОсм внутри восходящей ветви до 1200 мОсм вне ее при диаметре 200 мОсм. Перекачивает вверх по тонкой восходящей ветви, откачивает 400 мОсм в жидкость при 600 мОсм, так что снова сохраняется разница на уровне 200 мОсм изнутри наружу, в то время как концентрация как внутри, так и снаружи постепенно уменьшается по мере продвижения потока жидкости. .
Жидкости , наконец , достигает низкую концентрацию 100 мОсма при выходе из тонкой восходящей ветви и проходящая через толстые один
  • Дистальный извитый канальец : после выхода из петли Генле толстая восходящая конечность может необязательно реабсорбироваться и повторно увеличивать концентрацию в нефронах.
  • Сборный канал : Сборный канал принимает жидкость от 100 мОсм, если реабсорбция не производится, до 300 или выше, если использовалась реабсорбция. При необходимости собирающий канал может продолжать повышать концентрацию, постепенно откачивая те же ионы, что и из дистального извитого канальца, используя тот же градиент, что и восходящие конечности в петле Генле, и достигая той же концентрации.
  • Мочеточник : жидкая моча уходит в мочеточник .
  • Тот же принцип используется при гемодиализе в аппаратах искусственной почки.

История

Первоначально механизм обмена противотоком и его свойства были предложены в 1951 году профессором Вернером Куна и двух его бывших студентов , которые называют механизм , найденный в петле Генле в млекопитающих почки Countercurrent мультипликатора и подтверждается лабораторными данными в 1958 году профессором Карлом W. Готшальк . Эта теория получила признание через год после того, как тщательное исследование показало, что осмотические различия между жидкостями по обе стороны нефронов практически отсутствуют. Гомер Смит , значительный современный авторитет в области физиологии почек, противостоял модели противоточной концентрации в течение 8 лет, пока не уступил в 1959 году. С тех пор в биологических системах было обнаружено множество подобных механизмов, наиболее заметный из них: Rete mirabile у рыб. .

Противоточный теплообмен в организмах

Артериальное кровоснабжение и кровоснабжение глубоких вен руки человека. Поверхностные (подкожные) вены не показаны. Глубокие вены охватывают артерии, и последующий противоток позволяет руке значительно охладиться без потери тепла тела, которое замыкается противотоком.

В холодную погоду кровоток к конечностям птиц и млекопитающих уменьшается при воздействии холодных условий окружающей среды и возвращается в туловище через глубокие вены, расположенные рядом с артериями (образуя комитантные вены ). Это действует как противоточная система обмена, которая обеспечивает короткое замыкание тепла из артериальной крови непосредственно в венозную кровь, возвращающуюся в туловище, вызывая минимальные потери тепла конечностями в холодную погоду. Подкожные вены конечностей сильно сужены, тем самым уменьшая потерю тепла по этому пути и заставляя кровь возвращаться от конечностей в системы противотока крови в центрах конечностей. Птицы и млекопитающие, которые регулярно опускают конечности в холодную или ледяную воду, имеют особенно хорошо развитые системы противотока крови к конечностям, позволяющие длительное воздействие холода на конечности без значительной потери тепла тела, даже если конечности такие же тонкие. как, например, голени или лапки птицы.

Когда такие животные, как кожистая черепаха и дельфины, находятся в более холодной воде, к которой они не акклиматизированы, они используют этот механизм CCHE, чтобы предотвратить потерю тепла своими ластами , хвостовыми плавниками и спинными плавниками . Такие системы CCHE состоят из сложной сети периартериальных венозных сплетений или комитантных вен, которые проходят через жир от их минимально изолированных конечностей и тонких обтекаемых выпуклостей. Каждое сплетение состоит из центральной артерии, содержащей теплую кровь из сердца, окруженную пучком вен, содержащих холодную кровь с поверхности тела. Когда эти жидкости протекают друг мимо друга, они создают тепловой градиент, при котором тепло передается и удерживается внутри тела. Теплая артериальная кровь передает большую часть своего тепла холодной венозной крови, поступающей извне. Это сохраняет тепло за счет его рециркуляции обратно к сердцевине тела. Поскольку артерии отдают большую часть своего тепла в этом обмене, меньше тепла теряется из-за конвекции на периферийной поверхности.

Другой пример - ноги песца, наступающего на снег. Лапы обязательно должны быть холодными, но кровь может циркулировать, доставляя питательные вещества к лапам, не теряя при этом большого количества тепла от тела. Близость артерий и вен в ноге приводит к теплообмену, поэтому 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 от крови, текущей в противоположном направлении, так что она возвращается к туловищу в теплом состоянии, позволяя лисе поддерживать комфортную температуру. не потеряв его в снегу. Эта система настолько эффективна, что песец не начинает дрожать, пока температура не упадет до −70 ° C (−94 ° F).

Противоточный обмен у морских и пустынных птиц для экономии воды

Было обнаружено, что у морских и пустынных птиц рядом с ноздрями есть соляная железа, которая концентрирует рассол, который позже «чихает» в море, фактически позволяя этим птицам пить морскую воду без необходимости искать ресурсы пресной воды. Это также позволяет морским птицам удалять излишки соли, попадающие в организм во время еды, плавания или ныряния в море в поисках пищи. Почки не могут удалить такое количество и концентрацию соли.

Солевыделительная железа была обнаружена у морских птиц, таких как пеликаны , буревестники , альбатросы , чайки и крачки . Он также был обнаружен у намибийских страусов и других пустынных птиц, где повышение концентрации соли связано с обезвоживанием и нехваткой питьевой воды.

У морских птиц соляная железа находится над клювом и ведет к основному каналу над клювом, и вода выдувается из двух маленьких ноздрей на клюве, чтобы опорожнить его. В солевой железе работают два противоточных механизма:

а. Система экстракции соли с противоточным механизмом размножения, при которой соль активно перекачивается из «венул» крови (мелких вен) в канальцы железы. Хотя жидкость в канальцах имеет более высокую концентрацию соли, чем кровь, поток организован в противотоке, так что кровь с высокой концентрацией соли поступает в систему близко к месту выхода канальцев железы и соединяется с ней. главный канал. Таким образом, вдоль всей железы есть только небольшой градиент, по которому нужно подняться, чтобы вытолкнуть соль из крови в соленую жидкость с помощью активного транспорта, питаемого АТФ .

б. В системе кровоснабжения железы установлен механизм петли противоточного обмена, чтобы поддерживать высокую концентрацию соли в крови железы, чтобы она не попадала обратно в кровеносную систему.

Железы эффективно удаляют соль и, таким образом, позволяют птицам пить соленую воду из окружающей среды, находясь за сотни миль от земли.

Противоточный обмен в промышленности и научных исследованиях

Hardendale Lime Works в Великобритании использует противоточные печи для достижения высоких температур

Противоточная хроматография - это метод разделения, который основан на дифференциальном разделении аналитов между двумя несмешивающимися жидкостями с использованием противотока или прямотока. Являясь развитием противоточного распределения (CCD) Крейга, наиболее широко используемым термином и сокращением является противоточная хроматография или CCC, в частности, при использовании гидродинамических инструментов CCC. Термин распределительная хроматография в значительной степени является синонимом и преимущественно используется для гидростатических приборов CCC.

  • Перегонка химикатов, например, при переработке нефти, осуществляется в башнях или колоннах с перфорированными тарелками. Пар из низкокипящих фракций пузырится вверх через отверстия в тарелках, контактируя с нисходящими высококипящими фракциями. Концентрация низкокипящей фракции увеличивается на каждой тарелке вверх по башне по мере ее «отпарки». Низкокипящая фракция отводится сверху колонны, а высококипящая фракция - снизу. Процесс в лотках представляет собой сочетание теплопередачи и массообмена . Тепло подается снизу, известное как «ребойлер», а охлаждение осуществляется конденсатором вверху.
Противоток в жидкостно-жидкостной экстракции
Противоточный теплообменник печи (печи)
  • Известь можно производить в противоточных печах, позволяющих нагреву достигать высоких температур с использованием недорогого топлива с низкой температурой горения. Исторически это было разработано японцами в некоторых типах печи Анагама . Печь построена поэтапно: свежий воздух, поступающий к топливу, направляется вниз, а дым и тепло выталкиваются вверх и наружу. Тепло не покидает печь, а передается обратно входящему воздуху и, таким образом, медленно нагревается до 3000 ° C и более.
Противоточная вращающаяся печь для цемента
  • Цемент может быть создан с использованием противоточной печи, в которой тепло передается цементу и выхлопу вместе, в то время как тяга поступающего воздуха проходит по обоим, поглощая тепло и удерживая его внутри печи, в конечном итоге достигая высоких температур.
  • Газификация : процесс образования метана и окиси углерода из органических или ископаемых веществ может быть выполнен с использованием противоточного газогенератора с неподвижным слоем (с «восходящей тягой»), который построен по аналогии с печью Анагама и, следовательно, должен выдерживать большие нагрузки. суровые условия, но достигается лучшая эффективность.
  • На атомных электростанциях вода, покидающая станцию, не должна содержать даже следовых частиц урана. Противоточная декантация (CCD) используется на некоторых предприятиях для извлечения воды, полностью очищенной от урана.
Обменно-текущая декантация изображена в центробежных экстракторах как 1-я ступень
  • Центрифуги типа Zippe используют умножение противотока между восходящими и падающими конвекционными токами, чтобы уменьшить количество ступеней, необходимых в каскаде.
  • В некоторых центробежных экстракторах используются механизмы противотока для извлечения желаемого материала с высокой скоростью.
  • Некоторые протеиновые скиммеры : устройства для очистки бассейнов с соленой водой и рыбных прудов от органических веществ - используют противоточные технологии .
  • Противоточные процессы также использовались для изучения поведения мелких животных и изоляции людей с измененным поведением из-за генетических мутаций.

Смотрите также

внешние ссылки

использованная литература