מנגנון זרימה נגדית

מנגנון זרימה נגדית הוא עקרון הנדסי המתאר את אופן שחלוף החומרים, או מעבר החום, בין שני חומרים זורמים (בדרך כלל נוזלים), מופרדים, אך בעלי גבול משותף. במנגנון הזרימה הנגדי, הנוזלים זורמים בכיוון נגדי זה לזה, ויוצרים הפרש ריכוזים או הפרש חום קבוע ואחיד לאורך הזרימה. בתנאים מסוימים המערכת הבנויה על פי עיקרון זה יכולה להעביר קרוב ל-100% מהחום או מהחומר מהנוזל הראשון לשני. לדוגמה, בזימי דגים יש מנגנון זרימה נגדית, בו הדם בנימים המגיע לצורך ספיגת החמצן מקרומי הזימים, זורם לאורך הנימים ספוגי החמצן. לכל אורך הזרימה מתבצעת העברת חמצן מהזימים הספוגים לזימים הסופגים. המנגנון נפוץ בטבע במגוון שימושים, ויש הבונים מערכות תעשייתיות על פי עיקרון זה. המונחים מנגנון זרימה נגדית יחד עם מנגנון זרימה מקבילה - נקראים: מנגנוני שחלוף בזרימה. אלו הם מנגנונים להעברת חום או ריכוז של חומר מומס, בין שני חומרים (בדרך כלל נוזלים) הנמצאים בזרימה, ומופרדים ביניהם. חום מועבר דרך גבול מחומר מוליך חום, הנמצא בין שני הנוזלים. ריכוז חומר מומס, מועבר בין הנוזלים דרך קרום הולכה (ממברנה) הנמצא בין שני הנוזלים. כאמור, החומרים הזורמים יכולים להיות כל שילוב של נוזל, גז ואפילו אבקה מוצקה. מנגנוני שחלוף בזרימה יכולים לשמש לתיאור מערכת המעבירה כל תכונה נוספת של הנוזל, בין שני נוזלים זורמים אך מופרדים. השרטוט מציג תרשים כללי המתאר את שני מנגנוני השחלוף: תכונה עוברת מנוזל אחד לשני, על ידי זרימה בשני צינורות, המופרדים ביניהם על ידי חומר מוליך חום או קרום הולכה חלקית. הפרש התכונות (לדוגמה הפרש הטמפרטורות) מסומן בתרשים על ידי רוחב החצים. מנגנון זרימה מקבילה - במערכת שיחלוף זו, שני הנוזלים זורמים באותו הכיוון. כפי שניתן לראות בתרשים: במנגנון הזרימה המקביל, נוצר מדרג משתנה של הפרשי התכונה, לאורך גבול השיחלוף. לדוגמה: מים חמים וקרים זורמים במקביל ובאותו הכיוון. בתחילת המפגש, הפרש החום הוא גדול מאוד, כי החמים טרם מסרו מהחום שלהם, והקרים טרם התחממו. לעומת זאת, לאורך הדרך ההפרש יקטן, המים בשני הצינורות יגיעו לטמפרטורה שווה, ומעבר החום ייפסק. ההפרש הגדול ביותר נמצא בכניסת שני הנוזלים, אך עם ההתקדמות ההפרש קטן. הסיבה לכך היא שהנוזל בעל התכונה המוגברת מעביר את התכונה לנוזל בעל התכונה המופחתת, עד לשוויון בין השניים. לאחר נקודת השוויון, אין יותר העברה של התכונה. מנגנון זרימה נגדית - במערכת שיחלוף זו, שני הנוזלים זורמים בכיוונים מנוגדים זה לזה. לדוגמה: מים חמים בצינור העליון, וקרים בצינור התחתון זורמים במקביל, אך בכיוון הפוך זה לזה. בכניסת המים החמים אל הצינור העליון, הם פוגשים מים חמימים בצינור התחתון, שכן המים בצינור התחתון כבר הספיקו להתחמם לאיטם לאורך הזרימה. הפרש מידות החום כעת, בתחילת התהליך הוא קטן. ביציאת המים מן הצינור העליון, שכבר הספיקו למסור את רוב החום ולהתקרר, הם פוגשים בצינור התחתון מים קרים שזה עתה נכנסים למערכת. מים אלו לא הספיקו לספוג כל חום שהוא מהמערכת. אך הפרש מידות החום הקבוע בין הצינורות נשמר, כפי שהיה בכניסת המים החמים לצינור העליון. המים בצינור התחתון עוברים תהליך דומה - כך שבסיכום, ביציאת המים, הצינורות החליפו ביניהן את הטמפרטורה: מהעליון יוצאים מים קרים, ומהתחתון חמים. כפי שניתן לראות בתרשים, במנגנון הזרימה הנגדית, הפרש התכונות בין הנוזלים נשמר לאורך הזרימה. העברת ריכוז חומר וכן העברת חום במנגנון זה, אם נעשית תוך שמירה על הפרשים קטנים וזרימה איטית, בדרך כלל יעילה יותר מבחינה אנרגטית, ופחות בזבזנית. במנגנון הזרימה המקבילה, מעבר התכונה נפסק כאשר התכונה מגיעה לשוויון בין שני הנוזלים. כלומר בזרימה שווה 50% מההפרש יעבור בין הנוזלים ולא משנה אורך התהליך. ניתן להגביר את הספיגה על ידי הגברת הזרימה בנוזל בעל התכונה המוגברת. לדוגמה, להגביר את זרימת הנוזל החם, ובכך לגרום לכך שמעט יותר מהתכונה יעבור. לעומת זאת במנגנון הזרימה הנגדית, אם הזרימה איטית מספיק, והמרחק ארוך כראוי, ניתן לשמור על הפרש קטן אך יציב לאורך כל התהליך, ובכך להעביר קרוב ל-100% מהתכונה, כלומר כמעט את כולה. העברת כמות גדולה של התכונה תלויה גם ב"שוויון" הזרימה משני הכיוונים. במערכות של העברת חום, הכוונה שלשני הנוזלים הזורמים אותו קיבול חום. למשל כאשר חום מועבר ממים לאוויר, על זרם האוויר להיות בקצב מוגבר על מנת לספוג את החום, הנשמר במים בעל קיבולת החום הגבוהה יותר. במחליף חום בו זורמים מים: חמים ב-60 מעלות וקרים ב-20 מעלות צלזיוס. אם המים זורמים במנגנון זרימה מקבילה - התוצאה היא השוואה בין החום של הזרמים, כשהנוזל החם מחמם את הקר, והקר מקרר את החם. בכניסה לתהליך יהיה הפרש טמפרטורות גדול של 40 מעלות (בין 20 ל-60), והעברת החום תהיה גבוהה. שני הזרמים מסיימים את התהליך בטמפרטורה דומה או שווה, בדיוק במחצית ההפרש בין שתי הטמפרטורות בכניסה, כלומר שני הזרמים יהיו ב-40 מעלות צלזיוס ביציאה מהתהליך. לאורך הדרך הפרש הטמפרטורות בין הזרמים ילך ויפחת, וביציאה כמעט ולא יהיה הפרש במידות החום, ומעבר החום יקטן מאוד או יפסק לחלוטין. ייתכן גם שמעבר החום יפסק עוד קודם, ברגע ששני הזרמים יגיעו לשוויון. אם המים זורמים על פי מנגנון זרימה נגדית - התוצאה היא החלפת החום בין שני הנוזלים: הנוזל הקר יהפוך לחם כמעט בטמפרטורה המקורית של החם, והנוזל החם יהפך לקר, כמעט בטמפרטורה המקורית של הקר. בכניסה לתהליך הנוזל החם הוא ב-60 מעלות ומוסר לנוזל שהיה קר והספיק להגיע כמעט עד 60 מעלות עוד מעט חום. כלומר הנוזל הקר שנכנס לתהליך, יוצא עתה חם. לעומת זאת לאורך הדרך הנוזל החם הולך ומוסר את החום שלו, עד שמגיע ליציאה מן המערכת כשהוא כמעט ב-20 מעלות, ושם הוא פוגש את הנוזל הקר ב-20 מעלות הנכנס רק עתה למערכת. במוסרו את החום הוא מגיע כמעט עד 20 מעלות. מנגנון הזרימה הנגדית מצוי בשימוש נרחב ולמטרות מגוונות בתהליכים ובמערכות ביולוגיים. הדוגמאות המפורסמות הם בזימי דגים להעברת חמצן באופן יעיל מהמים בו הם חיים אל הדם, וציפורים משתמשים בו ברגליהם למניעת התקררות. (מנגנון דומה נמצא בכל החולייתנים אבל פחות בולט). האיבר המשמש לכך נקרא רשת פלאים. מנגנון דומה נמצא בכליות של היונקים, על מנת לשמר מים בגוף על ידי הסרת מים מתוך השתנן ולהעביר ריכוזי פסולת חנקתית מהגוף. הדבר קורה בלולאת הנלה, החלק של הכליה שבו מתבצע ניקוי הדם ויצור השתן. תוצאת התהליך הוא ריכוז גבוה של חומרי הפסולת, ולכן התהליך - שלמעשה הוא מנגנון זרימה נגדית, נקרא 'מנגנון הכפלה נגדית' בגלל "הכפלת" או הגדלת הריכוז לכאורה מעבר ליכולת (כלומר מעבר למחצית הפרש הריכוזים בין הפסולת בדם, לריכוזה בשתנן, ובניגוד לכיוון מפל הריכוזים). מנגנון חילוף חום בזרימה נגדית CCHE, הוא אמצעי יעיל לצמצום איבוד חום דרך שטח הפנים החשוף של העור, מכיוון שהחום ממוחזר במקום להתפזר. באופן זה הלב יכול לשאוב דם בקצב רגוע יותר, על מנת לשמור על חום הגוף הקבוע, ועל קצב חילוף חומרים קבוע בגוף. במקרה זה, במקום להשתמש בשני נוזלים, משתמשים בנוזל אחד (דם) המתחיל חם בתוך הגוף, ומוסר את כל החום שלו לפני שהוא יוצא אל האזור הקר, לדם קר, שזה עתה חזר מהכפור בחוץ, ועומד להיכנס לגוף. בכניסתו לגוף הוא הולך ומתחמם (בקבלו את החום מהדם היוצא). כך החום כל הזמן נשאר בפנים, ואילו הדם המגיע לאזורים הקרים בגוף, מגיע אליו קר, ואינו מעביר את החום אל הסביבה (המים, האדמה הקרה או האוויר הקר בגובה רב). כאשר חיות כמו צב הים הגילדי ודולפינים מגיעים למים קרים אליהם אינם רגילים, הם משתמשים במנגנון חילוף חום בזרימה נגדית. מערכות כאלו בנויים מרשת מורכבת של מקלעות ורידים סביב עצביים, המגיעים עד הלב, ועוברים דרך החֵלֶב (השומן התת-עורי ביונקים ימיים) אל האיברים ההקפיים כמו סנפיר הגב, סנפיר השת, וסנפיר הזנב. בכל מקלעת כזו יש עורק בודד המכיל דם חם, המוקף חבילת ורידים עם דם קר המגיע מפני השטח של הגוף. כשהנוזלים חולפים זה על פני זה, הם יוצרים מפל חום. הדם העורקי החם מעביר את רוב החום שלו אל הדם הורידי, ובכך החום משתמר ומוזרם בחזרה אל מרכז הגוף. מכיוון שהעורקים מאבדים חלק ניכר מהחום שלהם בתהליך זה, הדם המגיע לאיברים החיצוניים של הגוף הוא קר, ויש פחות הסעת חום מאיברים אלו אל החוץ. דוגמה נוספת של מנגנון דומה ניתן לראות ברגלי שועל השלג המהלך על שלג. כפות רגליו אמנם קרות, אבל הדם המביא את חומרי המזון אל תאי הגוף שבכפות הרגליים אינו מאבד חום רב. קרבת העורקים והנימים גורמים לתחלופת חום, כך שכאשר הדם יורד ברגל, הוא מתקרר במוסרו את החום לדם החוזר ונכנס. הדם המגיע אל כף הרגל הוא קר, ואינו מאבד חום רב בהגיעו לאזור כף הרגל החשוף לשלג. כך אין איבוד חום מהגוף אל השלג. בשעה שהדם זורם בחזרה ללב דרך הוורידים, דם זה מקבל את החום מהדם היורד לכף הרגל בעורקים, והדם החוזר אל תוך הגוף נשאר חם. במילים אחרות: החום נותר בתוך הגוף. לפני שהדם העורקי החם יוצא לכיוון כף הרגל, הוא מוסר את החום שלו לדם הוורידי הקר החוזר מהכפור. אל כף הרגל מגיע דם עורקי קר. אל תוך הגוף וללב חוזר דם ורידי חם. לציפורים ימיות במקרים רבים אין מקור זמין למי שתייה, והן שותות מי ים. מי ים נוספים חודרים לגופן בשעה שהן צוללות ותופסות דגים או חיות ימיות אחרות. הן חייבות להסיר את המלח הרב המגיע כך לגופן, על מנת לשלוט באיזון האוסמוטי שבאבריהן. הכיליה לבדה אינה יכולה לעמוד בעומס האדיר של מליחות, המגיעה לכל אברי הגוף בשעת שתיית מי ים. לצפורי ים כמו שחפים, שקנאים, אלבטרוסים וציפורי ים אחרות, יש בלוטות מיוחדות המפיקות מלח, ומשמשות כמנגנון שחלוף - לפי עקרון מנגנון הזרימה הנגדית. עורקים זעירים (עורקיקים) הנושאים דם מלוח נכנסים אל הבלוטה, כשהם מוצמדים לצינוריות של הבלוטה. הבלוטה מרכזת את המלח מן הדם, והדם היוצא מן הבלוטה דרך ורידים זעירים (ורידונים) מכילים ריכוז מלח הנמוך בהרבה מריכוזו בעורקיקים. הנוזל המלוח נאגר בבלוטה, וכשזו מתמלאת הציפור מתעטשת דרך נחיריה, ומוציאה את הנוזל בחזרה לים. הסרת המלח בבלוטות אלו נעשית ביעילות, ומאפשרות לציפורים אלו לשתות מים בעודם במרחק גדול מן היבשה כבשן אנגאמה - כבשן מסורתי יפני, משמש לשריפת חומר ויצירת כלי חרס. כבשן זה מגיע ל-3,500 מעלות משריפת עצים. תנור זה ארוך ובנוי במדרון ובמדרגות. כניסת האוויר היא מהחלק הגבוה ביותר. החום מכל מדרגה מחמם - חימום מקדים - את המדרגה שמעליה. האוויר המוחדר לצורך השריפה, סופג את החום במלואו בתהליך של מנגנון זרימה נגדית. החמצן שבאוויר נשרף ומגביר את החום, והתהליך נמשך וניתן לשליטה על ידי הנמכת עוצמת האש, שינוי העצים, או הקטנת פתח כניסת האוויר. כיום בתעשייה משתמשים במחליפי חום. במחליפי חום מחדשים (רגנרטיבים) משתמשים במנגנון הזרימה הנגדית, על מנת לשמר את האנרגיה שהושקעה אל מחליף החום, ולהעביר ביעילות הנדרשת, את החום מהמצב החם למצב הקר. בגלגל תרמי - מתקן המשמש להסרת לחות מאוויר חם, והוספתו לאוויר מקורר, מופעל עקרון מנגנון הזרימה הנגדית. אלא שבמקרה זה העיקרון מופעל בדומה יותר למנגנון חילוף חום בזרימה נגדית CCHE, כאשר הנוזלים (האוויר ה"קר" וה"חם") המוזרמים, מחליפים את החום ואת ה"קור" בתוך הגלגל, העשוי אלומיניום. הגלגל משנה את מיקום האוויר, כך שהגז שהיה קודם בכיוון התקררות ויציאה, נמצא כעת בתהליך התחממות וכניסה למערכת, בדומה לשועל הקוטב, המעביר את החום אל הדם החוזר מכף הרגל, לפני ירידת הדם היוצא. כרומטוגרפיה בזרימה נגדית היא שיטת הפרדה פיזית, המבוססת על תכונות חומרים מומסים בעת מעבר בין נוזלים, במנגנוני שחלוף - מקבילי או נגדי. בזרימה נגדית מקבלים הפרדה טובה ומלאה יותר. במכשירים הידרוסטטיים, משתמשים במונח כרומטוגרפית מחיצה למונח זה. מחליף חום מחדש על זרימה נגדית וזימי דגים את קיבול החום מחשבים על בסיס מסה ובממוצע על טווח הטמפרטורות במערכת ספר מדריך לחקר הציפורים (אנגלית) מהדורה 2 בהוצאת אוניברסיטת ייל, 1993. ור' גם (אנגלית) מאמר על הפרשות ציפורים שיטת ההפרדה בזרימה נגדית פותחה באוניברסיטת אילינוי בשיקגו