目前,能源短缺和环境污染已经成为全球经济社会发展的双重压力,迫切要求节约利用传统能源和开发利用新能源。从我国能源和环境所面临的形势看,更需要加强节能减排和开发利用清洁能源工作。我国具有丰富的低品位能源如中低温余热能、太阳能和地热能等,利用有机朗肯循环(ORC)将这些低品位能源转换为功,对提高我国的能源利用率和改善环境问题具有重要的意义。　　现有针对ORC性能的研究,主要采用模拟计算的手段集中于热力学性能方面,而采用理论研究其热力学性能和考虑系统经济性的相对较少,能全面考虑引入ORC对环境的影响亦相对较少。针对工质筛选的研究,以追求热力学性能为目标会得出相反的结论。本文对ORC进行了热力学性能分析和优化,给出了ORC净功的理论公式、提出了ORC工质筛选的热力学基本原则、进一步考虑了系统关键部件的经济性和ORC余热回收系统对环境的影响、搭建了小型ORC实验台,对膨胀机输出特性进行了初步研究。研究的主要内容如下:　　(1)针对亚临界ORC,采用直接搜索的优化方法,分别以热效率、净输出电功、?效率为优化目标对蒸发温度和冷凝温度进行了优化,并讨论了最佳蒸发温度OET和系统不可逆性分布的影响因素。结果表明:使用不同的优化目标,采用湿工质,优化出的结果相同或相近;采用干工质,优化出的结果有明显的差别。OET是否出现与热源温度、工质临界温度和蒸发器夹点温差有关。热源温度、蒸发器夹点温差、膨胀机效率和冷却水温升的变化将影响亚临界ORC系统部件中的不可逆损失分布。针对超临界ORC,研究了膨胀机进口参数对净功、热效率、?效率、总传热能力和膨胀机尺寸等的影响,结果表明:采用单一的不同目标,对膨胀机进口参数的要求不尽相同,甚至相反。　　(2)针对亚临界ORC模拟计算发现的最大净功处对应一个OET,从热力学基本理论出发,推导出理论净功公式。利用该理论公式,获得了求解OET的数学关系式和亚临界ORC工质筛选的热力学原则关系式,讨论了两类热源条件下工质筛选的基本原则。结果表明,对多种工质,利用OET理论关系式求解出的OET平均相对偏差小于1％。与已有文献公式相比,平均精度可提高31%。理论和数值模拟两方面都表明:对于耦合第一类低品位热源的ORC,以净功为目标,要求工质具有较高的液体比热和较低的蒸发潜热;对于耦合第二类热源的ORC,期望采用具有较低液体比热和较高蒸发潜热的工质,使系统热效率(净功)较高。在ORC取得最大净功条件下,从净功、工作压力、总传热能力和膨胀机尺寸四个方面综合考虑,R114、R245fa、R123、R601a、R601、R141b和R113适宜作为第一类热源条件下亚临界ORC的工质。针对理想超临界ORC,建立了三种不同流型蒸发器的净功模型,探究了循环参数变化对超临界ORC净功的影响。结果表明,增加蒸发器传热单元数、提高循环中高温和低温比、降低工质和热源热容率之比都可以提高超临界ORC净功。由于前两种方法的有限性,后一种方法是提高净功输出的最好方法。在相同条件下,超临界ORC采用逆流型蒸发器净输出功最大,叉流型次之,顺流型最小。　　(3)提出一个同时反映热力学性能和经济性能的综合性能指标,应用该指标与单一指标进行了对比,并对亚临界和超临界ORC系统进行了优化。结果表明:亚临界和超临界循环膨胀机进口参数和冷凝温度都存在优化值;当固定蒸发器夹点温差10K时,亚临界和超临界ORC冷凝器夹点温差分别存在一个优化的值;当固定蒸发器和冷凝器夹点温差之和为10K时,超临界ORC蒸发器和冷凝器夹点温差存在优化的分配。　　(4)为了全面考虑ORC系统的环境影响,建立了余热回收ORC系统的生命周期环境影响评价模型,比较了筛选出的7种工质在全生命周期内的环境影响。结果表明:ORC余热回收全生命周期中建设阶段对GWP(全球变暖潜值)和EP(富营养化潜值)贡献最大;GWP是最严重的环境影响,其次是HTP(人体毒性潜值);环境影响总负荷最小的是R113,最大的是R114;7种工质ORC余热回收生命周期GWP、AP(酸化潜值)、EP、HTP、SWP(固体废弃物潜值)和SAP(烟尘及灰尘潜值)值按照从小到大顺序,分别是R113、R141b(R601)、R123、R601a、R245fa、R114;温室气体中CO2、CH4和NOx可在生命周期较短时间内得到回馈,平均回馈时间在1~6年;而CO回馈时间较长,甚至难以回馈;总GWP可在5年内得到回馈。　　(5)搭建了小型ORC实验台,进行了膨胀机输出特性的初步实验研究。实验结果表明,随着膨胀机进口温度的增加,膨胀机输出功近似线性增加;在保持膨胀机进口温度平均65.6℃条件下,随着蒸发压力的变化,膨胀机输出功具有一个最大值,对应着一个最佳蒸发压力也即对应着一个OET,该实验结果验证了上述关于ORC存在OET的理论和模拟结果。