随着我国经济的发展,对能源的需求日益增加,而我国能源消费具有能源消费总量巨大、能源利用率低和能源消费结构不合理的特点,由此带来的环境污染严重、能源供应紧张和供需矛盾不断加剧,严重制约我国经济的可持续发展。余热利用是提高能源利用率行之有效的手段。在我国,高、中温的余热利用技术比较成熟,已经得到推广应用。近年来中低温、低温余热的利用引起研究者的重视,并对不同的余热利用技术进行了探讨,其中对有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)技术的关注最为广泛。膨胀机是有机朗肯循环系统的核心部件。单螺杆膨胀机是一种新型的容积式膨胀机,具有结构简单、受力平衡、使用寿命长、维护成本低和适用工质广泛等诸多优点,十分适合用于中小规模的中低温余热利用的有机朗肯循环系统。借鉴单螺杆压缩机模型,对单螺杆膨胀机的结构和性能指标进行了介绍,并定义参数齿径比ψ=b/d2,讨论了星轮齿宽以及螺杆螺槽之间的最小肋厚与齿径比的关系,结果表明:齿径比越大,星轮齿的宽度就越大,而螺槽之间的最小肋厚就越小,所以齿径比不能太大,太大会影响螺杆的强度;齿径比也不能太小,太小会影响单螺杆膨胀机的排量。综合考虑,齿径比可以选择0.14~0.154。将齿径比代入单螺杆膨胀机的基元容积的计算式,可以极大地简化基元容积的表达式。简化后的基元容积与单螺杆膨胀机的螺杆直径是三次方关系,而系数为单螺杆膨胀机结构参数的函数。借鉴Φ155单螺杆膨胀机和Φ175单螺杆膨胀机的性能测试试验台经验,搭建了以压缩空气为工质的Φ195单螺杆膨胀机的性能试验台。通过对螺杆直径分别为Φ117、Φ155、Φ175和Φ195四种型号的单螺杆膨胀机的性能测试数据进行了分析,获得了单螺杆膨胀机的性能在不同影响因素下的变化规律。分析结果表明:单螺杆膨胀机的进气体积流量、输出功率以及工质的温降并不是简单的与螺杆直径的三次方成正比,还受到其他因素的影响。而从不同型号的单螺杆膨胀机输出功率来看,转速2500rpm~3000rpm是功率输出的最佳区间。单螺杆膨胀机的进气压力、膨胀比的增加,有利于单螺杆膨胀机的输出性能的提高,而排气背压的增加不利于单螺杆膨胀机的运行。研制了基于单螺杆膨胀机的有机朗肯循环试验系统,以潍柴动力的WP10.336型号的柴油发动机的尾气作为热源,以有机工质R123为系统循环工质。根据试验需要,自主研制开发了Φ155的单螺杆膨胀机,并研制了蒸发器和冷凝器。为了降低设备重量和体积,蒸发器为采用轻型材料钛管的螺旋盘管换热器,而冷凝器为采用百叶窗肋片和封闭式结构的全铝平行流换热器。通过改变发动机的出力、单螺杆膨胀机的输出扭矩、有机工质流量和单螺杆膨胀机的排气背压等参数,研究了不同工况对单螺杆膨胀机和有机朗肯循环系统的性能影响,获得了单螺杆膨胀机和有机朗肯循环系统在不同工况下的变化规律。结果表明:柴油发动机在加装尾气余热回收有机朗肯循环系统后,发动机的油耗和背压均有所增加,最大分别增加了0.7kg/h和2.5kPa,考虑ORC系统的输出功率,总输出功率的每千瓦油耗最大降低3.5%。单螺杆膨胀机的输出功率、单螺杆膨胀机的效率以及ORC系统的效率均随着发动机功率的增加而增大,最大分别为10.38kW、57.88%、6.48%。在发动机功率为180kW、转速为1900rpm时,单螺杆膨胀机的输出功率和ORC系统效率均随有机工质蒸气的干度的增加而有所增大,而随排气背压的增加而下降,并且影响十分显著。结合有机朗肯循环系统试验中测得的单螺杆膨胀机的性能特性和螺旋盘管蒸发器的传热特性,完成对有机朗肯循环系统的建模,并以有机朗肯循环系统单位体积的最大输出功率作为目标函数,以有机工质的蒸发压力、尾气的排气温度、单螺杆膨胀机的螺杆直径和转速为变量对有机朗肯循环系统模型进行优化。通过对优化后的有机朗肯循环系统进行不同工况下的性能研究,结果表明单螺杆膨胀机的输出轴功率、有机朗肯循环系统净功率和有机朗肯循环系统效率均随着有机工质的蒸气干度和发动机功率的增加而增加,但是在发动机工况为180kW和200kW时,以上指标相差很小。虽然在不同发动机工况下单螺杆膨胀机的输出轴功率随着蒸发压力的增加而变大,但是有机朗肯循环系统输出净功率和系统效率在蒸发压力2.2~2.4MPa时得到最佳值。