L’échange à contre-courant est un phénomène naturel très efficace de transfert thermique ou chimique entre des corps fluides. Ce processus s’effectue à travers une surface conductrice en cas de chaleur ou une membrane partiellement perméable en cas d’échange chimique. Dans les échanges à contre-courant, le fluide donneur et receveur circulent toujours dans des directions opposées, une caractéristique qui donne au processus à la fois son efficacité et son nom. L’échange à contre-courant se trouve dans de nombreux systèmes biologiques tels que les reins de mammifères, les poumons d’oiseaux et les branchies de poissons et est un système de transfert chimique et thermique industriel couramment utilisé. Un système similaire est le processus d’échange simultané qui est moins efficace et présente des transferts entre les fluides circulant dans la même direction.
L’échange d’énergie thermique ou de substances en suspension entre des fluides en écoulement est un phénomène courant tant dans la nature que dans l’industrie. Ces échanges de flux de courant peuvent être divisés en deux groupes : simultanés et à contre-courant. Les deux impliquent l’échange de chaleur ou de produits chimiques en suspension entre des fluides circulant dans des récipients adjacents, soit via des surfaces conductrices, soit via des membranes semi-perméables, respectivement. Au fur et à mesure que les fluides traversent leurs zones communes, la chaleur et les produits chimiques s’écoulent naturellement des zones à forte concentration vers les zones à faible concentration jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. C’est cette caractéristique de transfert élémentaire qui rend la méthode d’échange à contre-courant la plus efficace des deux.
Le processus de transfert d’oxygène dans les branchies d’un poisson est un bon exemple des avantages de l’échange à contre-courant. Lorsque le sang pauvre en oxygène rencontre un flux opposé d’eau riche en oxygène, l’oxygène commence à se diffuser hors de l’eau et dans la circulation sanguine. Cela provoque une baisse de la concentration d’oxygène dans l’eau et une augmentation de celle dans le sang. Du fait que les sens d’écoulement sont opposés, le sang s’écoulera toujours sur de l’eau avec une concentration plus élevée en oxygène et l’échange se poursuivra jusqu’à ce que les écoulements divergent. Dans les écoulements simultanés, cependant, les deux fluides s’écoulent dans la même direction et la relation entre les concentrations atteint rapidement l’équilibre, arrêtant ainsi efficacement l’échange.
Cela signifie que contrairement à la variante concurrente, les systèmes d’échange à contre-courant continuent de transférer l’élément pertinent sur toute la zone d’échange pour une plus grande efficacité. Cette efficacité permet généralement des valeurs de transfert de 100 % avec le flux receveur sortant du système avec la même concentration de chaleur ou de produits chimiques que celle du flux donneur. On ne peut cependant pas en dire autant des échanges simultanés, avec des valeurs de transfert moyennes avoisinant les 50 %. Cela rend la méthode d’échange à contre-courant appropriée pour les processus industriels tels que l’échange de chaleur régénératif et les méthodes de transfert biologique, y compris les fonctions rénales et pulmonaires.