Waren radiatoren maar zo efficiënt als ons systeem van bloedvaten


Foto: Starfarmer

In de koude wintermaanden is het goed toeven op een plekje vlak bij een warme radiator. Technisch gezien is een radiator een warmtewisselaar, een apparaat dat warmte van het ene medium naar het andere overbrengt. Zo staat het hete water dat door de radiatoren van de centrale verwarming stroomt warmte af aan de lucht. Andere voorbeelden van toepassingen van warmtewisselaars zijn koelkasten, zonnecollectoren en airco’s.

Ook worden warmtewisselaars veelvuldig gebruikt voor warmteterugwinning. Zo kan men energie en kosten besparen door bijvoorbeeld warmte te onttrekken aan de warme lucht die een gebouw verlaat en daarmee de koude binnenstromende lucht voor te verwarmen. Hoe efficiënter de wisselaar werkt, des te meer energie er wordt bespaard. En daar valt nog veel te winnen.

Voor de efficiëntie van warmtewisselaars is het van belang om de vloeistoffen (of gassen) die erdoorheen stromen uniform te verdelen. Aan radiatoren zijn soms koude plekken te voelen als gevolg van een slechte doorstroming. Dat komt de werking van het systeem niet ten goede. Bovendien treedt tijdens het transport door de buizen een geleidelijke drukverlaging (drukval) op als gevolg van wrijving. Als de druk te laag wordt, stroomt de vloeistof niet verder, tenzij de pomp meer werk verricht, maar dat kost extra energie.

De uitdaging is dus om warmtewisselaars te maken die zowel een gelijkmatige, uniforme doorstroming als een kleine drukval hebben, maar het één gaat meestal ten koste van het ander in onze techniek.

Vloeiende vertakkingen
In het menselijk lichaam speelt vergelijkbare problematiek. Onze bloedvaten vormen een transportsysteem dat in alle uithoeken moet komen om iedere cel te voorzien van zuurstof en voedingsstoffen. Gebeurt dat niet, dan sterven de cellen of zelfs hele lichaamsdelen af.

Gelukkig is dat normaal gesproken niet het geval, ook al is de totale lengte van onze bloedvaten maar liefst 90.000 kilometer, meer dan twee keer de omtrek van de aarde.

In tegenstelling tot onze menselijke techniek, lukt het de natuur wel om zowel een uniforme doorstroming als een kleine drukval te bewerkstelligen. Niet alleen in bloedvaten, maar ook in andere transportstelsels, zoals onze longen en de nerven van planten.

Conventionele warmtewisselaars gebruiken meestal een enkel kanaal in smalle S-bochten (uniforme doorstroming, maar hoge drukval) of parallelle buizen (lage drukval, maar vaak niet-uniforme doorstroming). De structuur van natuurlijke transportsystemen daarentegen bestaat uit meervoudige en vloeiende vertakkingen. Dit zorgt niet alleen voor oppervlaktevergroting – waardoor er meer uitwisseling kan plaatsvinden tussen bijvoorbeeld de bloedvaten en het omringende weefsel – maar zorgt ook voor een efficiënte doorstroming.

Verdraaid goeie pomp
Duitse onderzoekers lieten zich inspireren door de slimme vertakkende buizen van de transport­systemen in de natuur. Zij ontwikkelden een computerprogramma waarbij de vorm van de warmtewisselaar en het inlaat- en uitlaatpunt moeten worden opgegeven. De software rekent vervolgens uit wat de beste vertakkende kanalenstructuur is. Dit levert warmtewisselaars op die beduidend efficiënter zijn dan de traditionele apparaten.

De pomp die voor de bloedcirculatie zorgt en de drukval in de bloedvaten moet overwinnen is overigens het hart. En dat is niet zomaar een pomp, het is een verdraaid goede.

Het hart van een persoon in rust pompt 300 liter bloed per uur, 7200 liter per dag en 2,6 miljoen liter per jaar rond. Bovendien werkt deze pomp volcontinu en kan dat wel 120 jaar volhouden, mits er verstandig mee wordt omgesprongen natuurlijk.

De pomp van menselijke makelij die hetzelfde kan presteren, die moet nog worden uitgevonden.


Foto: De natuur als uitvinder

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 19 februari 2016

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84