El intercambio a contracorriente es un mecanismo que ocurre en la naturaleza y se imita en la industria y la ingeniería, en el que hay un cruce de alguna propiedad, generalmente calor o alguna sustancia química, entre dos cuerpos que fluyen en direcciones opuestas entre sí. Los cuerpos que fluyen pueden ser líquidos, gases o incluso polvos sólidos, o cualquier combinación de ellos. Por ejemplo, en una columna de destilación , los vapores burbujean a través del líquido que fluye hacia abajo mientras intercambian calor y masa.
La cantidad máxima de transferencia de calor o masa que se puede obtener es mayor con el intercambio a contracorriente que con el intercambio a favor de la corriente (paralelo) porque la contracorriente mantiene una diferencia o gradiente que disminuye lentamente (generalmente una diferencia de temperatura o concentración). En el intercambio simultáneo, el gradiente inicial es mayor pero cae rápidamente, lo que lleva a un desperdicio de potencial. Por ejemplo, en el diagrama adyacente, el fluido que se calienta (que sale por arriba) tiene una temperatura de salida más alta que el fluido enfriado (que sale por abajo) que se usó para calentar. En el caso del intercambio simultáneo o paralelo, los fluidos calentados y enfriados sólo pueden acercarse entre sí. El resultado es que el intercambio a contracorriente puede lograr una mayor cantidad de transferencia de calor o masa que el intercambio paralelo en condiciones similares.
Ver: disposición de flujo .
El intercambio a contracorriente, cuando se instala en un circuito o bucle, se puede utilizar para generar concentraciones, calor u otras propiedades de los líquidos que fluyen. Específicamente, cuando se configura en un circuito con un líquido amortiguador entre el fluido entrante y saliente que circula en un circuito, y con bombas de transporte activas en los tubos del fluido saliente, el sistema se denomina multiplicador de contracorriente , lo que permite un efecto multiplicado de muchas bombas pequeñas para Acumule gradualmente una gran concentración en el líquido tampón.
Otros circuitos de intercambio a contracorriente donde los fluidos entrantes y salientes se tocan entre sí se utilizan para retener una alta concentración de una sustancia disuelta o para retener calor, o para permitir la acumulación externa de calor o concentración en un punto del sistema.
Los circuitos o bucles de intercambio a contracorriente se encuentran ampliamente en la naturaleza , específicamente en los sistemas biológicos . En los vertebrados se les llama rete mirabile , originalmente el nombre de un órgano de las branquias de los peces destinado a absorber oxígeno del agua. Se imita en los sistemas industriales. El intercambio contracorriente es un concepto clave en la termodinámica de la ingeniería química y en los procesos de fabricación, por ejemplo en la extracción de sacarosa de las raíces de la remolacha azucarera .
La multiplicación a contracorriente es un concepto similar pero diferente en el que el líquido se mueve en un bucle seguido de un largo movimiento en direcciones opuestas con una zona intermedia. El tubo que conduce al bucle genera pasivamente un gradiente de calor (o enfriamiento) o concentración de disolvente, mientras que el tubo de retorno tiene una pequeña acción de bombeo constante a lo largo de todo su recorrido, de modo que se crea una intensificación gradual del calor o concentración hacia el bucle. Se ha encontrado multiplicación a contracorriente en los riñones [1] , así como en muchos otros órganos biológicos.
El intercambio contracorriente y el intercambio cocorriente son dos mecanismos utilizados para transferir alguna propiedad de un fluido de una corriente de fluido que fluye a otra a través de una barrera que permite el flujo unidireccional de la propiedad entre ellos. La propiedad transferida podría ser calor , concentración de una sustancia química u otras propiedades del flujo.
Cuando se transfiere calor, se utiliza una membrana termoconductora entre los dos tubos, y cuando se transfiere la concentración de una sustancia química se utiliza una membrana semipermeable .
En el mecanismo de intercambio de flujo paralelo, los dos fluidos fluyen en la misma dirección.
Como muestra el diagrama de los mecanismos de intercambio en paralelo y en contracorriente, un sistema de intercambio en paralelo tiene un gradiente variable a lo largo de la longitud del intercambiador. Con caudales iguales en los dos tubos, este método de intercambio sólo es capaz de trasladar la mitad de la propiedad de un flujo al otro, por muy largo que sea el intercambiador.
Si cada corriente cambia su propiedad para acercarse un 50% a la condición de entrada de la corriente opuesta, el intercambio se detendrá cuando se alcance el punto de equilibrio y el gradiente haya disminuido a cero. En el caso de flujos desiguales, la condición de equilibrio ocurrirá algo más cerca de las condiciones de la corriente con mayor flujo.
Un intercambiador de calor en paralelo es un ejemplo de mecanismo de intercambio de flujo en paralelo.
Dos tubos tienen un líquido que fluye en la misma dirección. Uno empieza caliente a 60 °C, el segundo frío a 20 °C. Una membrana termoconductora o una sección abierta permite la transferencia de calor entre los dos flujos.
El fluido caliente calienta al frío y el fluido frío enfría al caliente. El resultado es el equilibrio térmico: ambos fluidos terminan aproximadamente a la misma temperatura: 40 °C, casi exactamente entre las dos temperaturas originales (20 y 60 °C). En el extremo de entrada, hay una gran diferencia de temperatura de 40 °C y mucha transferencia de calor; en el extremo de salida, hay una diferencia de temperatura muy pequeña (ambos están a la misma temperatura de 40 °C o cerca de ella) y muy poca transferencia de calor, si es que hay alguna. Si el equilibrio (donde ambos tubos están a la misma temperatura) se alcanza antes de que el líquido salga de los tubos, no se logrará más transferencia de calor a lo largo de la longitud restante de los tubos.
Un ejemplo similar es el intercambio de concentración paralelo . El sistema consta de dos tubos, uno con salmuera (agua salada concentrada), otro con agua dulce (que tiene una baja concentración de sal) y una membrana semipermeable que permite que solo pase agua entre los dos, en un proceso osmótico. . Muchas de las moléculas de agua pasan del flujo de agua dulce para diluir la salmuera, mientras que la concentración de sal en el agua dulce crece constantemente (ya que la sal no sale de este flujo, mientras que el agua sí). Esto continuará hasta que ambos flujos alcancen una dilución similar, con una concentración cercana a la mitad del camino entre las dos diluciones originales. Una vez que eso suceda, no habrá más flujo entre los dos tubos, ya que ambos están en una dilución similar y no hay más presión osmótica .
En el flujo contracorriente, los dos flujos se mueven en direcciones opuestas.
Dos tubos tienen un líquido que fluye en direcciones opuestas, transfiriendo una propiedad de un tubo al otro. Por ejemplo, esto podría ser transferir calor de un flujo de líquido caliente a uno frío, o transferir la concentración de un soluto disuelto de un flujo de líquido de alta concentración a un flujo de baja concentración.
El sistema de intercambio a contracorriente puede mantener un gradiente casi constante entre los dos flujos a lo largo de toda su longitud de contacto. Con una longitud suficientemente larga y un caudal suficientemente bajo se puede transferir casi toda la propiedad. Así, por ejemplo, en el caso del intercambio de calor, el líquido que sale estará casi tan caliente como el calor del líquido entrante original.
En un intercambiador de calor a contracorriente , el fluido caliente se enfría y el fluido frío se calienta.
En este ejemplo, por el tubo superior entra agua caliente a 60 °C. Calienta el agua en el tubo inferior, que se ha ido calentando durante el camino, hasta casi 60 °C. Todavía existe una diferencia de calor mínima pero existente, y se transfiere una pequeña cantidad de calor, de modo que el agua que sale del tubo inferior está cerca de 60 °C. Debido a que la entrada de calor está a su temperatura máxima de 60 °C, y el agua que sale por el tubo inferior está casi a esa temperatura pero no del todo, el agua del tubo superior puede calentar la del tubo inferior hasta casi su propia temperatura. . En el extremo frío: la salida de agua por la tubería superior, debido a que el agua fría que ingresa a la tubería inferior todavía está fría a 20 °C, puede extraer lo último del calor del agua caliente ahora enfriada en la tubería superior, llevando su temperatura desciende casi hasta el nivel del fluido de entrada frío (21 °C).
El resultado es que la tubería superior que recibía agua caliente, ahora tiene agua fría que sale a 20 °C, mientras que la tubería inferior que recibía agua fría, ahora emite agua caliente a cerca de 60 °C. De hecho, la mayor parte del calor fue transferido.
La transferencia casi completa en sistemas que implementan el intercambio contracorriente sólo es posible si los dos flujos son, en algún sentido, "iguales".
Para una transferencia máxima de concentración de sustancia, se requiere un caudal igual de disolventes y soluciones . Para una máxima transferencia de calor, la capacidad calorífica específica promedio y el caudal másico deben ser los mismos para cada corriente. Si los dos flujos no son iguales, por ejemplo si se transfiere calor del agua al aire o viceversa, entonces, al igual que en los sistemas de intercambio paralelo, se espera una variación en el gradiente debido a que la acumulación de la propiedad no se transfiere adecuadamente. [2]
El intercambio a contracorriente se utiliza ampliamente en sistemas biológicos para una amplia variedad de propósitos. Por ejemplo, los peces lo usan en sus branquias para transferir oxígeno del agua circundante a su sangre, y las aves usan un intercambiador de calor a contracorriente entre los vasos sanguíneos de sus patas para mantener el calor concentrado dentro de sus cuerpos. En los vertebrados, este tipo de órgano se conoce como rete mirabile (originalmente el nombre del órgano en las branquias de los peces). Los riñones de los mamíferos utilizan el intercambio a contracorriente para eliminar el agua de la orina, de modo que el cuerpo pueda retener el agua utilizada para mover los productos de desecho nitrogenados (ver multiplicador a contracorriente).
Un circuito de multiplicación a contracorriente es un sistema donde el fluido fluye en un circuito de modo que la entrada y la salida tienen una concentración baja similar de una sustancia disuelta, pero en el otro extremo del circuito hay una alta concentración de esa sustancia. Un líquido tampón entre los tubos de entrada y de salida recibe la sustancia concentrada. Los tubos de entrada y salida no se tocan entre sí.
El sistema permite la acumulación gradual de una alta concentración, al permitir una acumulación natural de concentración hacia la punta dentro del tubo de entrada (por ejemplo, usando ósmosis de agua fuera de la tubería de entrada y dentro del fluido amortiguador), y el uso de muchas bombas de transporte activo , cada una de las cuales bombea solo contra un gradiente muy pequeño, durante la salida del circuito, devolviendo la concentración dentro de la tubería de salida a su concentración original.
El flujo entrante que comienza en una concentración baja tiene una membrana semipermeable con agua que pasa al líquido tampón mediante ósmosis en un pequeño gradiente. Hay una acumulación gradual de concentración dentro del bucle hasta la punta del bucle, donde alcanza su máximo.
En teoría, podría existir o construirse un sistema similar para el intercambio de calor.
En el ejemplo que se muestra en la imagen, el agua entra a 299 mg/L (NaCl/H 2 O). El agua pasa debido a una pequeña presión osmótica al líquido tampón en este ejemplo a 300 mg/L (NaCl / H 2 O). Más arriba en el circuito hay un flujo continuo de agua que sale del tubo y entra en el tampón, aumentando gradualmente la concentración de NaCl en el tubo hasta que alcanza 1199 mg/L en la punta. El líquido tampón entre los dos tubos tiene una concentración que aumenta gradualmente, siempre un poco por encima del fluido entrante, alcanzando en este ejemplo 1200 mg/L. Esto está regulado por la acción de bombeo sobre el tubo de retorno, como se explicará inmediatamente.
La punta del bucle tiene la concentración más alta de sal (NaCl) en el tubo entrante: en el ejemplo, 1199 mg/L y en el tampón, 1200 mg/L. El tubo de retorno tiene bombas de transporte activo, que bombean sal al líquido tampón con una pequeña diferencia de concentraciones de hasta 200 mg/L más que en el tubo. Por lo tanto, cuando hay 1000 mg/L en el líquido tampón, la concentración en el tubo es 800 y sólo es necesario bombear 200 mg/L. Pero lo mismo ocurre en cualquier punto de la línea, de modo que a la salida del circuito también es necesario bombear sólo 200 mg/L.
En efecto, esto puede verse como un efecto de multiplicación gradual, de ahí el nombre del fenómeno: un 'multiplicador contracorriente' o el mecanismo: multiplicación contracorriente, pero en términos de ingeniería actuales, la multiplicación contracorriente es cualquier proceso en el que sólo se necesita un ligero bombeo. debido a la pequeña diferencia constante de concentración o calor a lo largo del proceso, aumentando gradualmente hasta su máximo. No es necesario un líquido tampón si el efecto deseado es recibir una alta concentración en la tubería de salida. [3]
Un circuito de líquido en el asa de Henle , una parte importante de los riñones, permite la acumulación gradual de la concentración de orina en los riñones, mediante el uso de transporte activo en las nefronas salientes (túbulos que transportan líquido en el proceso de concentración gradual de la urea). ). Las bombas de transporte activo sólo necesitan superar un gradiente de concentración pequeño y constante, debido al mecanismo multiplicador de contracorriente. [4]
Varias sustancias pasan desde el líquido que ingresa a las nefronas hasta que sale del circuito (consulte el diagrama de flujo de la nefrona). La secuencia del flujo es la siguiente:
Inicialmente, el mecanismo de intercambio a contracorriente y sus propiedades fueron propuestos en 1951 por el profesor Werner Kuhn y dos de sus antiguos alumnos, quienes llamaron multiplicador de contracorriente al mecanismo encontrado en el asa de Henle en los riñones de mamíferos [14] y confirmado por hallazgos de laboratorio en 1958 por el profesor Carl W. Gottschalk . [15] La teoría fue reconocida un año después después de que un estudio meticuloso mostrara que casi no hay diferencia osmótica entre los líquidos en ambos lados de las nefronas. [16] Homer Smith , una considerable autoridad contemporánea en fisiología renal, se opuso al modelo de concentración a contracorriente durante 8 años, hasta que cedió terreno en 1959. [17] Desde entonces, se han encontrado muchos mecanismos similares en los sistemas biológicos, el más notable de ellos : la Rete mirabile en pescado.
En climas fríos, el flujo sanguíneo a las extremidades de aves y mamíferos se reduce al exponerse a condiciones ambientales frías y regresa al tronco a través de las venas profundas que se encuentran junto a las arterias (formando venae comitantes ). [19] [20] [21] Esto actúa como un sistema de intercambio a contracorriente que cortocircuita el calor de la sangre arterial directamente a la sangre venosa que regresa al tronco, causando una pérdida mínima de calor de las extremidades en climas fríos. [18] [19] Las venas subcutáneas de las extremidades están fuertemente constreñidas, lo que reduce la pérdida de calor a través de esta ruta y obliga a la sangre a regresar desde las extremidades hacia los sistemas de flujo sanguíneo a contracorriente en los centros de las extremidades. Las aves y los mamíferos que sumergen regularmente sus extremidades en agua fría o helada tienen sistemas de flujo sanguíneo a contracorriente particularmente bien desarrollados hacia sus extremidades, lo que permite una exposición prolongada de las extremidades al frío sin una pérdida significativa de calor corporal, incluso cuando las extremidades son tan delgadas. como las patas inferiores, o tarsos , de un pájaro, por ejemplo. [20]
Cuando animales como la tortuga laúd y los delfines se encuentran en aguas más frías a las que no están aclimatados, utilizan este mecanismo CCHE para evitar la pérdida de calor de sus aletas , aletas caudales y aletas dorsales . Estos sistemas CCHE están formados por una red compleja de plexos venosos periarteriales , o venae comitantes, que recorren la grasa desde sus extremidades mínimamente aisladas y protuberancias delgadas y aerodinámicas. [20] Cada plexo consta de una arteria central que contiene sangre caliente del corazón rodeada por un haz de venas que contienen sangre fría de la superficie del cuerpo. A medida que estos fluidos fluyen entre sí, crean un gradiente de calor en el que el calor se transfiere y se retiene dentro del cuerpo. La sangre arterial caliente transfiere la mayor parte de su calor a la sangre venosa fría que ahora llega desde el exterior. Esto conserva el calor recirculándolo de regreso al núcleo del cuerpo. Dado que las arterias ceden gran parte de su calor en este intercambio, se pierde menos calor por convección en la superficie periférica. [18]
Otro ejemplo lo encontramos en las patas de un zorro ártico que pisa la nieve. Las patas están necesariamente frías, pero la sangre puede circular para llevar nutrientes a las patas sin perder mucho calor del cuerpo. La proximidad de las arterias y venas en la pierna produce un intercambio de calor, de modo que a medida que la sangre fluye hacia abajo se enfría y no pierde mucho calor con la nieve. A medida que la sangre (fría) regresa desde las patas a través de las venas, recoge calor de la sangre que fluye en la dirección opuesta, de modo que regresa al torso en un estado cálido, lo que permite al zorro mantener una temperatura agradable. sin perderlo por la nieve. Este sistema es tan eficiente que el zorro ártico no empieza a temblar hasta que la temperatura baja a -70 °C (-94 °F).
Se ha descubierto que las aves marinas y del desierto tienen una glándula de sal cerca de las fosas nasales que concentra salmuera, que luego es "estornudada" al mar, lo que de hecho les permite beber agua de mar sin la necesidad de encontrar recursos de agua dulce. También permite a las aves marinas eliminar el exceso de sal que ingresa al cuerpo cuando comen, nadan o bucean en el mar para alimentarse. El riñón no puede eliminar estas cantidades y concentraciones de sal. [22] [23]
La glándula secretora de sal se ha encontrado en aves marinas como pelícanos , petreles , albatros , gaviotas y charranes . También se ha encontrado en avestruces de Namibia y otras aves del desierto, donde la acumulación de concentración de sal se debe a la deshidratación y la escasez de agua potable.
En las aves marinas, la glándula de sal está encima del pico, lo que conduce a un canal principal encima del pico, y se sopla agua desde dos pequeñas fosas nasales en el pico para vaciarlo. La glándula de la sal tiene dos mecanismos a contracorriente que funcionan en ella:
a. Un sistema de extracción de sal con un mecanismo de multiplicación a contracorriente, donde la sal se bombea activamente desde las "vénulas" (venas pequeñas) de la sangre hacia los túbulos de las glándulas. Aunque el líquido en los túbulos tiene una mayor concentración de sal que la sangre, el flujo se dispone en un intercambio contracorriente, de modo que la sangre con una alta concentración de sal ingresa al sistema cerca de donde salen los túbulos glandulares y se conecta con el canal principal. Así, a lo largo de la glándula, sólo hay que subir una pequeña pendiente para empujar la sal de la sangre al líquido salado con un transporte activo impulsado por ATP .
b. El sistema de suministro de sangre a la glándula se establece en un mecanismo de circuito de intercambio a contracorriente para mantener la alta concentración de sal en la sangre de la glándula, de modo que no regrese al sistema sanguíneo.
Las glándulas eliminan la sal de manera eficiente y así permiten que las aves beban el agua salada de su entorno mientras se encuentran a cientos de kilómetros de la tierra. [24] [25]
La cromatografía a contracorriente es un método de separación que se basa en la partición diferencial de analitos entre dos líquidos inmiscibles utilizando un flujo a contracorriente o en paralelo. [26] Evolucionando de la Distribución de Contracorriente de Craig (CCD), el término y la abreviatura más utilizados es Cromatografía de Contracorriente o CCC, [27] en particular cuando se utilizan instrumentos CCC hidrodinámicos. El término cromatografía de partición es en gran medida sinónimo y se utiliza predominantemente para instrumentos CCC hidrostáticos.
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