随着环境污染的加剧,大力开发清洁可再生能源得到了广泛的认同。目前,热力循环如有机朗肯循环、蒸气压缩循环已成为转化和利用可再生能源的主要技术手段。由于可再生能源的温位一般较低,与环境间的温差较小,故如何提高循环过程中能量传递和转换的效率是高效开发可再生能源的主要难点。为此,从与循环性能紧密相关的工质着手,基于物性预测对有机朗肯循环的工质进行了设计,分析了与典型热力过程相关的工质相平衡及饱和温熵曲线,综合比较了混合工质与纯工质的性能优劣,明确了工质的循环极限。此外,为进一步提高能源系统的转换效率,针对基本热力循环引入的相分离器-T形管进行了气液及组分分离的实验研究,以明确不同工况下T形管的工质分离性能。工质作为热力循环实现能量转换不可或缺的载体,其物性直接决定了循环性能的高低。因此,如何实现热力循环工质的高效选择是一个亟待解决的问题。基于分子结构决定工质物性的思想,根据循环性能要求,明确工质物性,进而主动设计分子结构。为建立分子结构-工质物性之间的构效关系,根据已有分子构型及工质物性对应结果,并结合分子基团划分的简易性,将工质按照官能团划分为16个基团。为了辨别工质中存在的大量同分异构体,首次在基团贡献法中引入分子拓扑指数EATII。采用遗传神经网络建立了分子基团、拓扑指数与工质热物性之间的联系,对工质的沸点、临界温度进行了预测,其平均相对误差分别为1.87%、1.27%。在此基础上,采用基团贡献法分析了各热力过程,建立了分子基团热力循环模型。与物性软件REFPROP相比,该模型所得循环参数及性能的相对误差在10%以内。此后,在考虑工质循环性能及环境特性的基础上,建立了有机朗肯循环参数优化及工质设计模型。在给定的冷热源条件下,提出了最优候选工质R254eb和R254cb。非共沸工质的相平衡数据是分析热力循环中的相变换热过程的基础。因此,基于UNIFAC基团贡献法,采用PR状态方程和不同混合法则建立了三种可完全预测的相平衡模型,计算了多类混合工质的相平衡性质。与已有的相平衡实验数据相比,目前发展的计算模型只能精确的得到部分混合物的相平衡数据,普适的混合工质相平衡模型尚需要从分子理论或借助大量实验数据的基团贡献法来获得。针对热力循环中的膨胀、压缩过程,其热力性能高度依赖于工质的饱和温熵特性。因此,利用高精度的Helmholtz状态方程对大量工质的饱和温熵曲线斜率进行了理论计算。分析表明,对于纯工质,饱和液的温熵斜率始终为正,且随分子基团的增多而增加;饱和气的温熵斜率则随分子基团的增多逐渐在对比温度0.8附近从负值变为正值。对于混合工质,其饱和液的温熵斜率在相应纯工质斜率之间,而饱和气的温熵斜率则可以由干湿纯工质的混合变为无穷,从而形成等熵工质。在此基础上,将工质气相斜率转化成斜率角,采用人工神经网络建立了斜率倾角与对比温度、分子质量、分子基团及拓扑指数之间的函数关系。与Helmholtz方程计算出的斜率相比,该方法的平均相对误差为0.67%。为了明确非共沸工质在热力循环中的优势,在给定冷热源条件下,建立了有机朗肯循环的优化模型,基于模拟结果,从热力学第一定律及第二定律综合比较了非共沸工质与纯工质的热力性能。结果表明,虽然非共沸工质在相变换热中与换热流体具有较好的温度匹配,但其换热损失却不一定减少。考虑到纯工质数量有限及其环境性能,非共沸工质依然是一种潜在的替代工质。此外,为了能够更好的指导工质选择及热力循环构建,在工质物性的约束下,根据工质在对比温度0.9的饱和温熵曲线液相斜率提出了极限因子,得到了有机朗肯循环的极限效率,给出了更实际的热力学完善度。分析表明,对于纯工质,临界温度越高,则极限效率和热力学完善度就越高。对于混合工质,极限效率一般在纯工质效率之间,而热力学完善度则随组分变化较大。在热力循环中引入顺流式T形管作为相分离器以实现工质流量及组分的可控分离。为了明确有机工质在顺流式T形管中的气液相分离特性,设计并搭建了水平顺流式T形管相分离实验台。针对纯工质R134a、R600a和R245fa的气液相分离特性进行了实验研究,考察了入口质量流速、干度,出口流量比,管径比及支管水平倾角对T形管分离性能的影响,并采用高速摄影机观察了T形管入口流型。实验结果表明,相比于液体,气体更易进入支管。管径比为0.75的T形管气体分离比通常大于管径比为1的值。而相比于管径对分离的影响,支管水平倾角对T形管分离的影响较弱。此外,工质气体支管吸入比满足以下顺序:R245fa>R600a>R134a。在此基础上,定义了气液动量比与粘度比的乘积来表征不同工质的气液分离程度,并且基于实验所得的相分离数据,比较了已有T形管相分离模型对有机工质分离的预测精度。基于相同的实验系统,对非共沸工质R134a/R600a在水平顺流式T形管中的组分分布进行了实验研究,定义了T形管组分分离效率,揭示了进口工况、进口组分及T形管几何参数对组分分离性能的影响。实验结果表明,随着进口干度的增加,分离效率将由正值下降到负值。这表明在高干度下,R600a更易进入支管。在所考虑的进口组分中,混合工质R134a/R600a(0.3030/0.6970,mass)具有最大的组分分离效率。此外,当进口干度低于0.4时,管径比为1的T形管正分离效率高于管径比为0.75的效率值。相比于支管倾角45°与135°,倾角90°的T形管具有最大的组分分离效率。