Система охлаждения для двигателя стирлинга

Появился на форумах вполне закономерный вопрос по поводу эффективности двигателя Стирлинга, а именно распределение теплового энергетического баланса на основании известных всем книг Уокера и Ридера с Хупером.

Возникают непонятные процентные доли в отношении двигателей дизеля. Т.е. среднее значение тепловой энергии, которая отводится через охлаждающую систему радиатором, для двигателей дизеля составляет около 20%, а для двигателей Стирлинга этот показатель доходит до 50% и выше. На что и обращается внимание читателей выше перечисленной литературы авторами. Они сразу советуют закладывать в 2-2,5 раза большую производительность радиаторов для наземной техники.

Этот вопрос не встаёт так жестко для водных видов транспорта, так как в избытке имеется забортная вода, которая по эффективности охлаждения намного выше окружающего нас воздуха. Именно воздушные радиаторы и страдают увеличением своих габаритов при проектировании двигателей для автобусов, автомобилей и грузовых машин.

Вот диаграмма распределения теплового баланса для Стирлинга в книге Уокера:

А вот сравнительный анализ Стирлинга и дизеля из литературы Хупера и Ридера:

Как вы видите в сравнении с дизелем у Стирлинга примерно в два раза больше площадь охлаждающей жидкости и наоборот в два раза меньше выпуск (сброс тепла с отработавшими газами).

И вопрос как раз в том, а откуда же берётся такое удвоенное значение (в данном случае 46%) зазря выкидываемой в радиатор энергии? Ведь потери за счёт неидеальности регенератора, потери на трение и утечки тепла (за счёт теплопроводности материалов) от горячей части цилиндра вдоль длины корпуса двигателя к холодной части максимум составляют 20%.

А проблема кроется в непостоянстве температуры. Нет, здесь не имеется в виду повышение температуры рабочего тела в области нагревания при перетоке из области сжатия в область расширения и наоборот.

В книге Г.Уокера «ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА» говорится примерно следующее:

В двигателе Стирлинга процессы нагрева и охлаждения рабочего тела не являются изотермическими (с постоянной температурой), а приближены к адиабатическим. Поэтому в области расширения рабочий газ имеет более пониженную среднюю температуру, а в области сжатия более повышенную среднюю температуру. А это означает, что и полезная работа и термический КПД снижаются.

Но и тут остаётся непонимание. Что такое средняя температура? Давайте я покажу вам частный случай, как говорится «на пальцах». Для упрощения приведён только вытеснитель. Расположение рабочего поршня не показано, так как оно будет зависеть от выбранной вами модификации.

Смотрите рисунок выше. Когда вытеснитель начинает своё движение вниз (из ВМТ в НМТ), то рабочий газ начинает перемещаться из холодной зоны (зоны сжатия) в горячую зону (зону расширения). При этом рабочее тело проходит через нагреватель и увеличивает свою температуру. И опять же при этом его давление начинает повышаться. А так как при этом объём газа в горячей части цилиндра и в холодной его части свободно связаны, то давление начинает также подниматься и в холодной части цилиндра. А вот это и означает, что в холодной части также возрастает и температура. И это тепло начинает отдаваться на всю конструкцию двигателя в холодной части двигателя. Объём то остаётся постоянным! Мы имеем потери тепловой энергии.

Теперь смотрим рисунок ниже.

Вытеснитель начинает двигаться вверх (из НМТ в ВМТ). Происходит ровно всё наоборот вышеописанному. Т.е. рабочее тело перетекает из горячей области в холодную через холодильник. При этом его температура падает. И при этом же и его давление падает. А так как горячая и холодная части цилиндра свободно соединены, то начинает падать давление и в горячей части. А это приводит к понижению температуры. Т.е. рабочее тело берёт излишнее тепло от нагревателя и не выполняя полезной работы сбрасывает его в регенераторе и холодильнике. Снова потери тепла.

Вот именно вот это непостоянство температуры и влияет на увеличенные потери в двигателях стирлинга. Судя по источникам, которые описывают реально спроектированные и апробированные двигатели, средние отношения колебания давлений (максимального к минимальному) равняются 2 (двум). Это означает, что примерно  температура будет изменяться в этих же пределах. Т.е. если минимальная температура газа в холодной его части (зоне сжатия) равна 40°С, то максимальная будет 80°С (будет сброс тепла в радиатор), а значит средняя 60°С.

Это и есть очередная проблема для построителей двигателей стирлинга. Можно ли её решить? Да! Запаять нафик переход газа из холодной части в горячую и наоборот. И проблем с потерями не будет …. и проблем со стирлингом не будет ))). Можно ли придумать конструкцию, исключающую или сильно уменьшающую данную проблему? Не знаю. Всё возможно.