● 摘要
随着能源危机和环境问题的加重，新能源的开发和利用备受关注。对于太阳能、地热、生物能、工业余热等新能源有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）结构简单效率高是一种很有潜力的利用方式。经过多年发展有机朗肯循环已有多种改进形式，其中超临界有机朗肯循环是循环热效率更高的一种。一般热源温度越高ORC热效率也会越高，利用价值越大，目前对于ORC低温利用的理论和实践研究成果已有很多，但对于ORC中高温利用的研究还不充分。ORC中高温利用会带来一些新的问题，包括：许多低温时循环热效率很高的工质在高温时发生分解，不可再使用；针对有机工质尤其是超临界状态有机工质，很多汽轮机或透平设计参数超出了传统经验数据的适用范围，传统设计和计算方法也不再适用；ORC系统追求紧凑，要求采用紧凑式换热器等。对于这些特点，目前还欠缺相应的基础性研究，例如：针对有机工质高温热稳定性的研究；对于有机工质气动热力学的研究；对于实际气体状态方程的研究；对于小型、高速、大膨胀比单级涡轮和喷嘴的研究；以及针对有机工质的紧凑式换热器的研究等。本文以太阳能中高温热利用为研究背景，以超临界有机朗肯循环为研究对象，对于ORC中高温利用中的相关问题展开理论和实验研究，主要内容如下：
本文以工质最高热稳定温度为阀值对多种工质进行了筛选，由于工质在不同系统中最高热稳定温度可能不同，本文对候选工质（六甲基二硅氧烷，MM）进行了热稳定性和与材料相容性实验研究，研究表明工质MM在300°C时热稳定性良好，循环热效率较高，是一种适合中高温ORC循环的有机工质，同时筛选出了适合于在以MM为介质的ORC系统中使用的材料。
以经典热力学理论为基础，集成传统换热器设计方法，建立了本文超临界太阳能ORC系统仿真模型。分析了以MM为工质，采用不可调喷嘴的超临界ORC系统的特点，揭示了此类系统的特殊规律。以MM为工质的ORC系统需要采用较大的回热器，回热器性能对系统热效率影响很大，当冷凝器压降、过冷度、冷凝温度在一定范围内，同时保持冷凝器出口温度固定时，系统热效率会分别随着冷凝器压降、过冷度、冷凝温度的增大而上升，这些因素对系统热效率的影响规律还要受到回热器夹点温差的制约和影响。
建立了针对有机工质的喷嘴流量计算模型，并以MM为介质展开了喷嘴流量特性实验研究，结果表明对于有机工质，本文模型计算得到的理论值与实验值之间相差±5%以内，比传统模型更加准确。以本文模型计算流量为理想值得出了喷嘴流量系数，并研究了喷嘴流量系数和喉道压力对各影响因素的敏感性，包括：喷嘴入口温度和压力、喉道截面尺寸、临界流动界面位置、散热损失、喉道曲率等。
建立了以MM为工质的中高温超临界ORC实验系统，并进行了整体性能和发电测试。发现了系统中存在的问题并提出了改进意见。