Коротко — КПД цикла Карно это максимально возможный КПД между двумя тепловыми резервуарами при абсолютно обратимых $квазистатических$ процессах. Любой реальный двигатель действует за конечное время, в реальных процессах возникают необратимости $генерацияэнтропии$, поэтому Карно недостижим.

Ниже — основные физические источники потерь для паровой турбины и для автомобильного двигателя, и практические направления их уменьшения с указанием ограничений.

1) Неполезная передача тепла $конченноетемпературноеразличие$

Причина: теплообмен между рабочим телом и нагревателем/холодильником требует конечного перепада температур → производство энтропии.Митигирование: лучшие теплообменники $большееплощадь,тонкиестенки,турбулентныеконтактныеслои$, использование ступенчатого нагрева/регенерации $подогревпитательнойводыупаровыхустановок,рекуператорывгазовыхтурбинах$.Ограничения: рост размеров/массы, стоимость, увеличение потерь напора; для двигателей автомобилей — ограниченное место и масса.

2) Необратимости сгорания / химическое превращение топлива

Причина: неквилебрированное, неравномерное и за конечное время протекающее сгорание разрушает химическую эксергию $энтропияприсмеси,неполноесгорание$.Митигирование: точная система впрыска топлива, оптимальное распыление, управление смесью/температурой, предварительное смешивание $HCCI$, каталитические послеочистки, повышение времени и равномерности горения.Ограничения: для автомобилей — эмиссионные требования $NOx/CO/HC$ ограничивают режимы; HCCI требует строгого управления; увеличение времени горения снижает мощность при том же объёме $trade‑off$.

3) Гидравлические и аэродинамические потери $трениежидкости/газа,вихри,отделениепотока$

Причина: вязкое сопротивление в каналах, на лопатках турбины, потеря давления на входах/переходах.Митигирование: обтекаемые профили лопаток и каналов, уменьшение зазоров, оптимизация сопел, применение покрытий с низким шероховатым сопротивлением, управляемая геометрия $переменнаятурбина$.Ограничения: точность изготовления, износ, необходимость балансировки при высокой частоте вращения, стоимость.

4) Механические потери $трениевподшипниках,поршнях,приводныхмеханизмах$

Причина: трение в опорах, уплотнениях, смазочном масле — часть мощности теряется в тепло.Митигирование: улучшенные материалы и покрытия $DLC,керамическиепокрытия$, низковязкие масла, активное управление давлением смазки, подшипники с гидродинамической поддержкой, лёгкие конструкции.Ограничения: совместимость материалов с высоким T и коррозией, долговечность, стоимость, риск снижения надёжности.

5) Утечки и неплотности $пар/газвытеканиечереззазоры,blow-byвпоршневыхдвигателях,утечкивуплотненияхтурбин$

Митигирование: усовершенствованные уплотнения $щеточные,лабиринтные,механические,активные$, точная обработка поверхностей, уменьшение зазоров.Ограничения: износ уплотнений, необходимость допусков на термическое расширение, сложность ремонта.

6) Нейдальная $неполная$ экспансия и компрессия; дросселирование

Причина: ступенчатая или неравномерная работа $одно-илимногоступенчатыепроцессы$, дросселирование для регулирования давления вызывает эксергетические потери.Митигирование: многоступенчатые циклы с регенерацией, использование турбокомпрессоров и изменяемой геометрии для уменьшения дросселирования, оптимизация рабочих точек.Ограничения: сложность гидравлики, управление, стоимость.

7) Тепловые потери в стенки и системы охлаждения

Причина: часть тепла уходит в охладитель/радиатор $вдизеле/бензинебольшаядолямощностногорасхода—охлаждение$.Митигирование: термические барьеры $керамическиепокрытия$, оптимизация системы охлаждения $локальноеохлаждение$, уменьшение потерь за счёт изоляции выпускного коллектора, применение рекуператоров $ORC$.Ограничения: повышение температуры стенок увеличивает NOx и термические напряжения; керамическая изоляция ухудшает рассеяние тепла, может привести к перегреву и снижению срока службы; в турбинах — пределы материалов по creep/окислению.

8) Влажность/конденсация и эрозия в паровых турбинах

Причина: при низком давлении часть пара конденсируется → капли разрушают лопатки и повышают потери.Митигирование: повышение перегрева пара, использование рециркуляций, оптимизация конденсатора, защита лопаток.Ограничения: материалы и теплообменники, цена, требования к охлаждению.

9) Невозможность бесконечно медленной работы $ограничениемощности$

Причина: для обратимости процессы должны идти бесконечно медленно — тогда мощность → 0. На практике нужен конечный удельный выход мощности → компромисс между мощностью и КПД.Последствие: оптимизация для реального рабочего диапазона, применение парковых/автомобильных стратегий с частичной нагрузкой.

Практические направления развития $конкретнодлякаждойтехники$

Паровые турбины / электростанции:

Повышение температуры и давления пара $сверхкритическиеисверхсверхкритическиепараметры$ — требует новых сплавов, покрытий, технологий производства.Регенерация/подогрев питательной воды, многоступенчатые циклы, промежуточный подогрев и испарение.Комбинированные циклы $газоваятурбина+паровая$ для улавливания тепла отходящих газов.Улучшение аэродинамики лопаток, уменьшение зазоров, передовые уплотнения, смазочные материалы.Контроль влажности и защита от эрозии.Ограничения: стоимость материалов $никелевыесуперсплавы,керамика$, коррозия/окисление при высоких T, термическая усталость.

Автомобильные двигатели $ДВС$:

Повышение степени сжатия/изменяемое сжатие $VCR$ и применение циклов Аткинсона/Миллера для увеличения термической эффективности.Турбонаддув и интеркулеры для повышения средней температурной эффективности с уменьшением объёма.Прямой впрыск, оптимизация горения, смеси lean burn, управление EGR для уменьшения потерь на сгорании и охлаждении.Снижение механического трения: покрытия, тонкие масла, подшипники с низким сопротивлением.Рекуперация тепла выхлопа — турбокомпаундирование, ORC/календарные системы в гибридах; термоэлектрические генераторы $поканизкаяэффективность$.Гибридизация: перенос части нагрузки электродвигину, работа ДВС в более эффективных стационарных режимах.Ограничения: масса и объем, стоимость, эксплуатационная надежность, требования по эмиссиям, динамические требования к мощности, шум/вибрация.

Короткое резюме и взгляд на компромиссы

Основной принцип: чтобы приблизиться к Карно, надо уменьшать необратимости $меньшеперепадовтемператур,меньшетурбулентности/трения,более«мягкое»сгорание$, но это обычно приводит к увеличению размеров, массы, стоимости, снижению удельной мощности или к повышенным требованиям к материалам $температурнаястойкость,коррозия,усталость$.Практический путь — сочетание мелких улучшений $нижнеетрение,лучшиеуплотнения,оптимизациягеометрии$, системных преобразований $регенерация,комбинированныециклы,турбокомпаундирование$ и архитектурных изменений $гибриды,электронизация$, с учетом затрат и надежности.

Если нужно, могу привести конкретные технические решения $сплавыиихдопустимыетемпературы,типыпокрытий,конкретныевидыуплотненийиихэффективность,примерыреализациивсовременныхТЭЦиливсовременныхдвигателях$, или оценить потенциальный выигрыш по КПД для нескольких выбранных мер.