Кратко — идеальный цикл Стирлинга при полностью обратимых процессах действительно равен по КПД циклу Карно $\eta =1-Tc/Th$. Однако это чисто теоретическая предельная ситуация: в реальных машинах всегда есть необратимости и потери, поэтому практический КПД заметно ниже. Ниже — какие именно факторы снижают КПД и какие способы минимизации применимы на практике.

Основные физические источники потерь
Конечная скорость теплообмена $конечныеградиентытемпературы$.
Механизм: для передачи рабочего тепла через теплообменники/регенератор требуются конечные тепловые градиенты, при которых возникает генерация ENTROPY.
Как снизить: увеличить площадь теплообмена $микроканалы,оребрение$, применять материалы с высокой теплопроводностью, увеличить среднее давление для повышения коэффициента теплоотдачи, уменьшить тепловые сопротивления контактов.

Невозможность идеально реализовать изотермические процессы.
Механизм: цилиндры/поршни не являются идеальными изотермами — тепло не успевает подаваться/отводиться мгновенно.
Как снизить: улучшать конструкции горячего/холодного теплообменников, применять активное охлаждение/нагрев, работать на более низкой частоте $цена—мощность$.

Неидеальность регенератора $регенеративныепотери$.
Механизм: регенератор имеет конечную эффективность $частьтеплатеряется$, имеет тепловую инерцию и гидравлическое сопротивление $давлениепадает$. Нагрев и охлаждение матрицы регенератора несимметричны => энтропия рождается.
Как снизить: повысить эффективность регенератора $мелкаясетка/волокносбольшойплощадьюповерхностипринебольшомсопротивлении$, оптимизировать длину и пористость, минимизировать теплопроводные «короткие замыкания» через корпуса.

Давления и потери на трение/перетекание газа.
Механизм: вязкое трение в каналах и турбулентность, скачки давления через регенератор/теплообменники, утечки через уплотнения. Это уменьшает эффективное рабочее давление и генерирует тепловые потери.
Как снизить: упрощение потоковой геометрии, уменьшение длины/сужений, оптимизация скорости потока, хорошие уплотнения, применение высокопрочных материалов для работы при высоком давлении.

Мёртвые объёмы и геометрические несоответствия фаз $фазовыйсдвигобъёмов$.
Механизм: дополнительные объёмы вне идеальной рабочей камеры $соединительныеканалы,пространствоврегенераторе$ уменьшают долю рабочего газа, участвующего в идеальном расширении/сжатии, и изменяют фазовый сдвиг между объёмом и давлением.
Как снизить: минимизировать мёртвые объёмы, оптимизировать kinematiku $фазамеждупоршнями/дисplacer$, использовать конструкции с меньшими соединительными каналами.

Утечки рабочего газа и реальная вязкость/теплоёмкость газа.
Механизм: утечки снижают давление; реальный газ и теплоёмкости зависят от температуры, что вносит дополнительные необратимости.
Как снизить: качественные герметизации $особенноприH2/He$, использование подходящего рабочего газа $высокаятеплопроводностьиневысокаявязкость—He/H2$, контроль состава и давления.

Теплопроводность конструкции и потери через корпус.
Механизм: утечка тепла напрямую из горячей зоны в холодную через несущие элементы и уплотнения «обходит» рабочий процесс.
Как снизить: термоизоляция, использование материалов с низкой теплопроводностью в несущих опорах, барьеры теплопроводности.

Механические потери: трение, износ, динамические потери.
Механизм: подшипники, уплотнения, кривошипы и пр. потребляют часть вырабатываемой мощности.
Как снизить: магнитные/безмасляные подшипники, бесконтактные уплотнения, свободнопоршневые $free‑piston$ конструкции, минимизация трения и балансировка движущихся масс.

Ограничения материалов и рабочих условий
Ограничение по максимально допустимой температуре горячего источника $материалы,коррозия,окисление,уплотнения$. Увеличение Th повышает карновский предел, но многие материалы не выдерживают.
Как улучшить: применение жаропрочных сплавов, керамики, защитных покрытий; улучшение теплоизоляции горячего узла.Ограничение по перепаду температур $холоднаясторонаутилизациятепла$. Низкая Tc тоже повышает КПД, но требует эффективного отвода тепла.
Как улучшить: эффективные холодильные контуры, использование низкотемпературной среды $водоем,воздушныйтеплообменниксбольшойплощадью$.Практическая экономически-конструктивная компромиссность
Скорость/мощность против КПД: работать медленнее увеличивает обратимость, но снижает плотность мощности и экономичность по материалам/размерам.
Решение: оптимизация частоты для заданной мощности; применение высокоплотного газа и высокого давления для увеличения мощности при приемлемой скорости.Стоимость изготовления сложных регенераторов и теплообменников: оптимизации требуют дорогих материалов/технологий $например,микроструктуры$, что ограничивает практическое применение.
Решение: использование аддитивного производства для сложной геометрии, оптимизация по стоимости/эффективности.

Конструктивные пути минимизации потерь $сводка$

Высокоэффективный регенератор: малая толщина решетки, высокая удельная площадь, низкое гидравлическое сопротивление. Оптимизация теплообменников: большие площадки теплообмена при низком ∆Tlocal, турбулентизация на малых расстояниях с контролем давления. Минимизация мёртвых объёмов и оптимизация фазового сдвига между поршнями/дисplacer’ом. Высокое рабочее давление $увеличиваеттеплообменимощность$ — при этом нужны надежные уплотнения и крепкие материалы. Выбор рабочего газа: He или H2 $лучшетеплообменитеплопроводность$ при решениях проблем утечки и безопасности. Свободнопоршневые и роторные реализации для снижения механических потерь и уплотнений. Термальная изоляция горячей зоны и охлаждение холодной для максимального ∆T. Применение продвинутых материалов $жаропрочныесплавы,керамика$ и покрытий. Тщательная гидродинамическая/термодинамическая оптимизация $численныерасчёты,испытанияпрототипов$.

Практические уровни КПД $ориентир$

Теоретически Stirling = Карно при обратимых процессах. На практике абсолютный КПД малых бытовых двигателей часто невысок $обычноединицы—несколькодесятковпроцентоввзависимостиотисточникатеплаиконструкции$; крупные высокотемпературные установки при оптимизации могут достигать десятков процентов в абсолютном выражении, но всегда ниже Карно для заданных Th и Tc из‑за перечисленных потерь. $Фактическиполучаемкомпромиссмеждуплотностьюмощности,стоимостьюинадежностью.$

Вывод: главные причины отставания реального КПД двигателя Стирлинга от идеального Карно — конечная скорость теплообмена, несовершенный регенератор, гидравлические и трениевые потери, мёртвые объёмы и теплопроводные «короткие замыкания», а также материалные ограничения на Th и Tc. Снизить эти потери можно через улучшение регенератора и теплообменников, повышение рабочего давления, уменьшение мёртвых объёмов, применение свободнопоршневых или роторных схем и современных материалов и технологий изготовления — но каждое улучшение сопряжено с практическими и экономическими компромиссам.