在全球化石能源紧缺的大背景下,工业余热的回收利用和可再生能源的大规模开发已经成为各国政府和科技人员所关注和研究的重要领域。近年来,基于有机朗肯循环(organic Rankine cycle,简写ORC)的余热发电技术引起了大家的关注。该技术不但可以回收大量的工业余热、发动机排气余热、垃圾焚烧热等,也可以应用于可再生能源的开发,比如地热、生物质能、太阳能以及温度更低的海洋温差能等。然而,由于该技术所利用热源的品位较低,因而其发电效率和实际净输出功率也一直较低,这也是制约该技术进一步发展的瓶颈。如何尽可能地提高ORC系统的发电量,是如今在该领域研究的一个重点。因此,本文提出一种采用非共沸混合工质R227ea/R245fa,部分蒸发循环形式以及双螺杆全流膨胀机的新型ORC系统,阐明了其相对于传统的纯工质过热蒸汽ORC系统的优势,并针对这个系统会遇到的科学问题进行了深入探讨。具体的研究内容和结论如下:首先,本文从热力学角度研究了非共沸混合工质和部分蒸发循环形式对ORC系统性能的影响。为此,本文数值构建了有机朗肯循环发电系统中各设备的热力学模型,分别应用热力学第一定律、热力学第二定律以及热经济性评价指标对系统性能进行了分析讨论。研究发现,非共沸混合工质和部分蒸发的循环形式相比于传统的纯工质过热蒸汽循环可以从热源中吸取更多的热量,获得更大的净输出功率。在热源温度120℃,蒸发温度80℃的条件下,最高提升净输出功率44.0%。研究结果也阐明了非共沸混合工质和部分蒸发循环形式提升系统性能的原理,即非共沸混合工质提升了冷凝器和蒸发器内工质和冷热源的温度匹配性,减少了冷凝器和蒸发器内的?损失。而部分蒸发的循环形式主要提升了蒸发器内工质与热源的温度匹配性,减少了蒸发器内的?损失。然而,利用传统的“零维”热力学模型无法揭示非共沸混合工质的“组分迁移”特性对ORC系统的影响。为此,本文利用组分守恒和能量守恒建立了蒸发器和冷凝器的一维流动换热模型,给出了循环组分的计算方法,分析了“组分迁移”现象的形成机理以及其对ORC系统性能的影响规律。对“组分迁移”的形成机理的研究发现,提高压力、减少两相区长度、减少气液两相流速差以及增加充灌质量等措施可以减少“组分迁移”的程度。而在“组分迁移”对ORC系统的影响方面,非共沸混合工质的“组分迁移”现象总是使得低沸点组元占循环组分的质量分数升高,提高系统的蒸发压力和冷凝压力。当低沸点组元R227ea质量分数位于50%-70%之间时,组分迁移特性将会较明显地降低系统的净输出功率;另外,“组分迁移”现象也会影响换热器内换热温差,在蒸发器内是减小换热温差,而在冷凝器内是增加换热温差。另外,在采用部分蒸发的循环形式时,膨胀机的进口为气液两相流,因此,必须考虑工质的气液两相膨胀对膨胀机性能的影响。为此,本文利用3D建模软件pro/E构建了一个双螺杆膨胀机的简易几何模型,测量了其进口面积、工作腔室容积和泄漏通道面积随阳转子转动角度的变化数据。利用质量守恒和能量守恒分析了螺杆膨胀机工作腔室内的工作过程,结合膨胀机的几何数据建立了膨胀机内气液两相膨胀的热力学模型,并利用Matlab对其进行求解和膨胀机性能分析,得出了以下主要结论:进汽干度越低,进汽时的压力损失越严重,膨胀结束时的压力越高,膨胀机的等熵效率越高,输送率越低。在满足完全膨胀的条件下,进汽干度从0.9降至0.1时,等熵效率上升了约10个百分点。最后,实际的ORC系统会因为热源和冷源条件的波动而处于一个动态过程中,因此需要对系统的动态特性加以研究。为此,本文首先根据质量守恒和能量守恒定律利用移动边界法对蒸发器和冷凝器内的控制方程作了推导,确定了主要变量。然后结合工质泵和膨胀机的控制方程,并确定各部件之间的耦合关系,建立了整个系统的状态方程。最后利用Matlab和ode15s求解器对系统的状态方程进行了求解分析和讨论。研究发现,热源温度升高10℃,会明显提高系统的净输出功率12.3%,但是热效率提升幅度较小,只有3.8%,而过冷段占冷凝器比例变化不大,因此可以保证过冷度;热源流量升高0.1kg/s,对蒸发压力的提升幅度较小,只有4.7%,而对冷凝压力的提升幅度较大,达到12.7%,因此,热源流量升高有可能会减少系统的净输出功率。本文的研究内容为非共沸混合工质部分蒸发有机朗肯循环发电系统的设计、优化以及应用提供了重要的理论依据,同时也为新型高效有机朗肯循环发电系统的进一步开发提供了一定的帮助。