随着我国能源消费需求持续增长和环境污染等问题日益严重,高效回收利用工业生产和生活中的余热已经成为我国节能减排的重要举措。本文依托国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金和国家科技支撑计划等项目,围绕中低温余热驱动的正逆耦合循环系统开展研究,探索了中低温余热利用的新方法,从关键过程能量转换机理、系统集成和实验验证等方面开展了研究。在正逆耦合循环中,吸收-发生构成的热压缩过程是实现工业余热,特别是低温余热梯级利用的重要途径。通过深入分析热压缩过程,提出了以增压率作为特征参数的热压缩过程模型。增压率作为一个无量纲参数,表征了热压缩过程实际升压占极限升压的比例。探究了热压缩过程对低温余热的能量转化机理和热压缩过程的热力学特性规律,发现增压率作为特征参数可有效简化热压缩过程的设计和参数优化。进一步提出了热压缩过程在正逆耦合循环中的集成方式,研究了热压缩与机械压缩耦合的热力学性能及规律,为正逆耦合循环系统集成奠定了理论基础。通过将热压缩过程与机械压缩机进行耦合,实现了正逆循环间的热能和机械功的双重耦合,构建了中、低温余热互补利用的功冷联产系统。中温热源通过混合工质动力循环转换为机械功,低温热源通过热压缩过程和机械压缩过程耦合完成制冷,机械压缩耗功由混合工质透平提供。该系统不仅能高效回收内燃机烟气余热,为解决动力余热利用过程中的温度断层难题提供技术方案,还能全部回收利用缸套水余热用于制取0℃以下的冷量。系统针对不同品位的热源通过采用了不同的回收利用方式以减少不可逆损失,具有较好的热力性能。经济性分析结果表明,该功冷联产系统具备较好的经济效益和推广价值。研究了一种回收透平排气有效成分的新型开式功冷联产系统,探索了提高有效成分回收潜力的新方法。该系统中透平排气携带的较高温冷凝热在再沸器中为精馏过程提供热负荷,较低温冷凝热用于预热精馏塔进料;透平排气经过降温后形成的气液两相混合物中,气相组分的有效成分(制冷剂)浓度与透平排气相比明显提高,适合在制冷中回收利用。新型开式功冷联产系统验证了正、逆循环间物质耦合的有益效果,为正逆循环耦合提供了新思路。根据中低温余热的梯级利用机理,高品位热能通过动力循环转换为功,低品位热能通过热压缩过程用于提高气态工质压力。将热压缩过程与机械压缩机相结合,并用动力循环的输出功驱动机械压缩机,构建并研究了两种新型低温制冷系统。两种系统的区别在于热压缩过程与机械压缩机的耦合分别采用了复叠和复合两种形式。对比研究结果表明,复合式低温制冷具有更优的热力性能。节能机理分析结果表明,在逆循环中引入机械压缩过程解决了制冷温度过低导致热压缩过程性能急剧恶化的问题;同时,在热源与吸收式制冷循环之间构建混合工质动力循环,减少了热源与循环工质的换热温差,实现了余热的梯级利用,降低了系统的不可逆损失。通过对系统的热力性能进行敏感性分析,为系统进一步优化指明了方向。研制了中低温动力余热驱动的功冷联产系统实验平台。该实验平台主机由氨水蒸气发生子系统、透平膨胀作功子系统和氨水吸收式制冷子系统构成,系统设计发电功率为20 kW,制冷量为40 kW。配套的辅助实验系统包括烟气发生子系统、冷量输出子系统、冷却水循环子系统、数据监测与采集子系统、安全防护子系统等。通过氨水混合工质发电性能实验和氨水吸收式制冷性能实验研究探索了实验平台各子系统的运行特性,为后期进一步开展功冷联产系统性能实验和变工况实验奠定了基础。