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利用工业余热、地热等低品位热能生产动力是重要的节能减排措施。在低品位热能热功转换领域，有机朗肯循环和单螺杆膨胀机具有良好的应用前景。 首先对提升有机朗肯循环（主要是利用余热使有机工质在透平机械中做功，带动发电机或其他动力机械，在通过凝汽器放热凝结，再重新进入换热器吸热，不断循环做功，主要设备有蒸发器、冷凝器、汽轮机、循环泵等）性能的关键理论问题进行了研究，重点分析了压力损失对循环效率的影响规律。通过建立分析模型，把有机朗肯循环的压力损失划分为两类高压压力损失和一类低压压力损失，并且导出了反应压力损失对有机朗肯循环效率影响大小的公式。对该公式分析结果表明，这些压力损失对循环效率影响的大小主要取决于工质在某个状态的比体积。由于不同状态点工质的比体积是不同的，不同类型的压力损失对有机朗肯循环的影响也不同。低压压力损失对循环效率的影响一般要比第一类高压压力损失大4-15倍，比第二类高压压力损失大30-50倍。 为了提升单螺杆膨胀机在大膨胀比下的性能，同时兼顾对不同工况的适应性，提出“适当增加内容积比，同时利用螺槽排气余速实现准二级膨胀”这一思想，同时提出用“余速利用系数”来评估上述效果。根据这一思想，研发了一台新型大膨胀比单螺杆膨胀机样机，并把样机整合到以R123为工质的有机朗肯循环试验台上。试验结果表明:所研发样机最佳膨胀比约为6.3，最大输出轴功为8.35kW，最高轴效率和等熵效率分别为56％和73％，并且当膨胀比增加到试验最大值8.5时，轴效率降幅小于1％。这说明该膨胀机不仅在常规工况下工作良好，而且在大膨胀比工况下能基本上消除欠膨胀机损失，“螺槽排气余速利用”效果明显，余速利用系数达到0.42。 除了轴效率和等熵效率，容积效率也是单螺杆膨胀机的一个重要性能指标。对于容积式膨胀机，容积效率有两种定义基准，分别为进气和排气。通过理论分析及上述试验还发现，在一定转速下，膨胀机的进气容积效率十分稳定，几乎不受膨胀比的影响，适合用于膨胀机流量计算，而排气容积效率却随着膨胀比的增加快速减小，并且只有在严重过膨胀工况下，排气容积效率才大于进气容积效率。 单螺杆膨胀机等容积式膨胀机通常需要合适的润滑油系统来保证可靠运行。而在有机朗肯循环中，润滑油系统会影响循环输出功。为了分析润滑油系统以及该系统各个要素对输出功的影响规律，提出了润滑油系统的评价指标——供油功损指数，并针对三种不同的润滑油系统方案，导出了相应的供油功损指数计算公式，利用公式进行了分析计算，得到了供油功损指数和油分离器压力损失、注油量之间的定量关系，找出了各方案中引起输出功损失的最大因素。这些研究为润滑油系统优化提供了理论依据。 除了膨胀机，工质泵也是有机朗肯循环的另一关键部件。对工质泵进行了试验研究。在有机朗肯循环工况下，通过试验方法得到了两种典型叶片泵（分别为旋喷泵和多级离心泵）的性能曲线。在有机朗肯循环工况下，所测试的旋喷泵最高效率21.0％，多级离心泵最高效率为39.5％。对性能曲线进行分析发现，工质泵在一定转速下，有机朗肯循环存在一个最佳工作点，在该点工作时，有机朗肯循环的效率最高。当转速增加时，最佳工作点参数，如循环吸热量、蒸发温度、工质流量以及循环效率都呈上升趋势。考虑到工质泵效率通常不高，专门分析了泵功消耗对有机朗肯循环的影响。结果发现，有机朗肯循环可能因此存在“负功子循环”，影响循环效率。为了避免出现，“负功子循环”，导出了临界比体积判据，即工质必须在蒸发器中吸收足够热量，使工质在膨胀机进口比体积大于某一比体积临界值。为此，工质在蒸发器出口干度一般应达到0.75以上。 利用研发的大膨胀比单螺杆膨胀机样机、一台空冷式冷凝器、一台管壳式蒸发器和一台多级离心泵，建立了以R123为工质的有机朗肯循环试验台，并利用以上理论分析成果对试验系统进行了优化。试验结果表明，有机朗肯循环试验系统最高效率达到9.3％，考虑工质泵功耗以后最高循环效率为7.98％，当考虑工质泵、冷凝器风机、润滑油泵以及变频器等有机朗肯循环所有辅机功耗时，最高循环净效率达到5.02％。以上数据说明该有机朗肯循环试验系统性能显著高于国内外同类试验系统。本文提出的关于大膨胀比单螺杆膨胀机、压力损失和润滑油系统的优化以及工质泵研究正是提升有机朗肯循环性能的关键措施。 在净效率分析方面，为了评估各因素对净效率的影响，提出利用膨胀机轴效率、供油功损指数、泵功指数和冷却功耗指数来分析优化有机朗肯循环实际净效率。这些指数分别阐明各个因素对实际循环净效率影响的相对大小，是有机朗肯循环系统分析与优化的有力工具。以此为基础，建立了数学模型，准确反映了冷却空气流速、换热面积、冷凝器功耗、环境温度、供油功损指数对循环狰效率的作用机制。该模型和上述指数一起构成了关于有机朗肯循环净效率分析与优化的理论体系。