近年来以中低温热能高效利用为目标的相关基础研究和应用研究,已经逐渐成为国际能源研究领域的热点。在低温热能回收利用技术领域内,有机朗肯循环技术成为近年来发展最快的热利用技术,也是国内外科技工作者关注的焦点。本课题以蒸发温度在100℃以下、系统净输出功在10kW以下的小型低温有机朗肯循环系统中工质泵的实际运行性能及其效率问题为切入点,建立了实验装置,对小型低温有机朗肯循环系统中的工质泵实际运行性能进行了实验研究。在此基础上,以减小有机朗肯循环系统工质泵的泵耗、提高朗肯循环系统的净输出功量和净输出电量为导向,提出了依靠重力增压、驱动的无泵小型低温有机朗肯循环系统,并在不同工质、不同运行工况、不同构建形式等条件下对该循环的循环性能进行了研究。最后,提出了以重力增压驱动有机朗肯循环为使用背景的小型反动式涡轮机,并对其进行了初步设计,分析了反动式涡轮机在不同几何设计参数和不同工质条件下的运行性能。为了明确工质泵在实际运行过程中的运行特性及其对系统整体性能的影响,在理论分析的基础上建立了实验装置,针对目前中低温有机朗肯循系统最常用的工质R245fa及容积式工质泵进行了实验研究。实验数据表明,使用R245fa为工质的低温有机朗肯循环工质泵,其最高等熵效率可到达70%左右;但合并了电机效率的工质泵机械效率低于30%;综合了等熵效率、机械效率、电机效率的工质泵总效率最高值不超过20%;低温有机朗肯循环系统中工质泵侧的实际效率远低于前期研究者在研究过程中所使用的取值。工质泵性能连续性动态实验研究表明,工质泵机械效率与被其泵送工质的流量密切相关,容积式有机工质泵的机械效率最高值出现在其体积流量最大的区域;在体积流量相同的情况下,工质泵进出口压差越大,工质泵机械效率越高;工质泵与驱动电机是否匹配,也是影响其效率重要因素,专门针对小型有机朗肯循环系统开发低转速、大扭矩的电动机,将会明显提高工质泵系统的效率。小型低温有机朗肯循环系统整体运行性能分析表明:工质泵等熵效率对系统朗肯循环效率具有重要影响:提高工质泵的等熵效率,会使系统朗肯循环效率获得明显提升;受工质泵总效率制约,有机朗肯循环系统部分负荷运行时存在容量调节下限,过低负荷运行将导致系统的净发电量为负值;在工质流量相同的情况下,小型低温有机朗肯系统的净发电量随工质泵总效率的升高而增加,随工质泵总效率降低而减小。对于使用电机驱动工质泵的有机朗肯循环系统,必须从循环系统净发电量层面分析、评价其实际运行性能,仅从系统净输出功层面分析将会导致对系统运行性能评价产生较大的偏差,甚至可能产生完全错误的结论;选择效率较高的工质泵或通过其他技术手段提高既有工质泵的总效率,将会提高系统的循环净发电量,改善有机朗肯循环系统的运行性能。为了解决现有小型低温有机朗肯循环系统中工质泵泵耗较大而导致的系统整体运行性能低下的问题,提出了重力驱动低温有机朗肯循环。选取R113,R123,R134a,R152a,R227ea,R236fa,R245fa,RE347mcc(HFE-7000)八种有机工质作为研究对象,对其在小型重力驱动低温有机朗肯循环系统中的循环性能进行了分析研究。相比传统由泵增压的有机朗肯循环系统,重力驱动有机朗肯循环系统在相同工况下的系统输出净功值更大,因此其朗肯循环效率更高。重力驱动所需增压高度随蒸发温度升高而增加,随冷凝温度升高而减小,但蒸发温度的变化是决定增压高度变化的主因素。系统净输出功在10kW以下的小型重力驱动朗肯循环系统,运行过程中管道内的整体阻力较小,主要的压力损失产生在上行蒸汽管道内,随着系统容量的增加,蒸汽管道的压力损失将快速增加。干工质更适用于重力驱动有机朗肯循环,R113、R123、R245fa、RE347mcc四种干工质的重力增压高度和循环效率综合性能较好。其中R113所需重力驱动高度最低,在冷凝温度35℃、蒸发温度100℃时所需重力增压高度仅为24.6 m,朗肯循环效率在10%以上。与传统工质泵驱动有机朗肯循环系统不同,在重力驱动有机朗肯循环系统中加入回热器,系统的循环效率提高幅度不大。在重力增压有机朗肯循环系统中,非共沸混合等熵工质的性能与纯等熵工质存在明显差别,在设定工况下,其循环效率并非最高,但具有相对较小的膨胀压比;对应相同的效率和膨胀压比,存在多组不同的质量配比;通过改变非共沸混合工质的组份配比,可使混合工质满足不同空间高度要求;相同效率要求情况下,混合工质完全可取代其他纯工质,成为重力增压驱动有机朗肯循环系统的优选工质。以小型重力驱动低温有机朗肯系统为应用背景,从动力学角度切入,推导出了理想条件下反动式涡轮机的转速、扭矩和功率方程;获得了以“长径比”为变量的反动式涡轮机的最高效率曲线方程;获得了以无量纲扭矩为变量的无量纲参数设计方程组。设定工况下,涡轮机运行性能分析结果表明:随着涡轮机转速的增加,涡轮机的输出功率和效率均存在先增加后下降的总体趋势;在相同转速条件下,使用不同有机工质的涡轮机的功率和效率水平存在明显区别;在低转速区域,不同工质之间的效率区别较小,而在高转速区域,工质之间的效率差别明显增大;在低转速区涡轮机效率越高的工质,在高转速区域其效率越低。