Lo scambio controcorrente è un fenomeno naturale altamente efficiente di trasferimento termico o chimico tra corpi fluidi. Questo processo avviene attraverso una superficie conduttiva in caso di calore o una membrana parzialmente permeabile in caso di scambio chimico. Negli scambi controcorrente, il fluido donatore e ricevente scorrono sempre in direzioni opposte, caratteristica che conferisce al processo sia la sua efficienza che il suo nome. Lo scambio controcorrente si trova in molti sistemi biologici come i reni dei mammiferi, i polmoni degli uccelli e le branchie dei pesci ed è un sistema di trasferimento termico e chimico industriale comunemente usato. Un sistema simile è il processo di scambio simultaneo che è meno efficace e prevede trasferimenti tra fluidi che scorrono nella stessa direzione.
Lo scambio di energia termica o di sostanze in sospensione tra fluidi in movimento è un fenomeno comune sia in natura che nell’industria. Questi scambi di flusso di corrente possono essere suddivisi in due gruppi: concorrenti e controcorrente. Entrambi implicano lo scambio di calore o sostanze chimiche in sospensione tra fluidi che scorrono in vasi adiacenti tramite superfici conduttive o membrane semipermeabili, rispettivamente. Mentre i fluidi scorrono attraverso le loro aree condivise, il calore e le sostanze chimiche fluiscono naturalmente dalle aree ad alta concentrazione a quelle a bassa concentrazione fino a raggiungere l’equilibrio. È questa caratteristica del trasferimento elementare che rende il metodo di scambio controcorrente il più efficace dei due.
Il processo di trasferimento dell’ossigeno nelle branchie di un pesce è un buon esempio dei benefici dello scambio controcorrente. Quando il sangue povero di ossigeno incontra un flusso opposto di acqua ricca di ossigeno, l’ossigeno inizia a diffondersi dall’acqua e nel flusso sanguigno. Ciò provoca la diminuzione della concentrazione di ossigeno nell’acqua e l’aumento di quella nel sangue. A causa del fatto che le direzioni del flusso sono opposte, il sangue scorrerà sempre sull’acqua con una maggiore concentrazione di ossigeno e lo scambio continuerà fino a quando i flussi non divergeranno. Nei flussi contemporanei, invece, i due fluidi scorrono nella stessa direzione e il rapporto tra le concentrazioni raggiunge rapidamente l’equilibrio, arrestando di fatto lo scambio.
Ciò significa che, a differenza della variante concorrente, i sistemi di scambio in controcorrente continuano a trasferire l’elemento rilevante sull’intera area di scambio per una maggiore efficienza. Questa efficienza consente solitamente valori di trasferimento del 100% con il flusso ricevente che esce dall’impianto con la stessa concentrazione di calore o sostanze chimiche di quella del flusso donatore. Lo stesso non si può dire degli scambi simultanei, tuttavia, con valori medi di trasferimento che si aggirano intorno al 50%. Ciò rende il metodo di scambio controcorrente appropriato per processi industriali come lo scambio di calore rigenerativo e metodi di trasferimento biologico, comprese le funzioni renali e polmonari.