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目前,日益增大的能源需求和严重的环境污染,迫切要求改变能源结构、节约利用传统能源和优化能源利用方式;同时,我国具有丰富的中低品位能源,如中低温余热能、太阳能和地热能等。作为一项理论成熟的中低温余热回收技术,有机朗肯循环(Organic Rankine cycle,ORC)具有结构简单,效率高和环境友好等优点。因此,利用有机朗肯循环高效回收中低品位余热,对提高我国的能源利用率和改善环境问题具有重要的意义。基于热力学第一定律和第二定律,构建了ORC的热力模型和经济模型,研究了系统运行参数对系统热力性能和经济性能的敏感度,基于排序法下的最佳经济性能,优选了适用于中低温热源的工质。结果表明考虑最佳经济性能的情况下,R11、R123和R245ca是比较适合于中低温余热的工质;综合考虑系统净输出功、热效率和?效率时,R142b和R114被认为在确保最佳经济性能下的优选工质。针对BORC(Basic organic Rankine cycle,BORC)和RORC(Regenerative organic rankine cycle,RORC)的热力模型和经济模型,研究了五种系统运行参数对两种循环的?效率和LEC(Levelized energy cost,LEC)的影响,并进行了基于最大?效率和最小LEC的双目标优化研究,进一步开展了最大?效率、最大净输出功和最小LEC的三目标优化研究。结果表明,改善系统热力性能会导致系统经济性能的恶化;通过对比双目标与单目标优化结果,发现较高的?效率和热效率必定伴随较低的净输出功和较差的经济性能;而较高经济性能可以保证较好的净输出功,然而?效率和热效率较低;双目标优化的帕累托最优解中和了热力性能和经济性能,因此,比较适合工程人员应用于工程决策问题。根据泡点温度和冷凝露点温度位置不同,提出了混合工质的四种工况,开展了四种工况的热经济性分析,并进一步对比了纯工质和混合工质的热经济性。研究结果表明,相比于纯工质,混合工质并不一定总是表现较好的热力性能和经济性能,主要取决于系统运行参数和混合工质质量分数;综合考虑分别以最大?效率和最小LEC的单目标优化结果,混合工质泡点温度位于相变结束点,露点温度位于相变起始点时,热力性能和经济性能最佳;对比混合工质和纯工质的帕累托最优解发现,相比于纯工质,混合工质表现出较好的热力学性能和几近同等的经济性能。建立了双ORC的热力模型,经济模型和环境评价模型,研究了顶部循环的蒸发温度,过热度,窄点温差,冷凝温度,以及底部循环的蒸发温度和冷凝温度对系统性能的影响,讨论了双ORC循环基于热力性能和经济性能的帕累托最优解,进一步探讨了双ORC循环热力性能、经济性能和环境性能的规律。基于TOPSIS工程决策法,分别得到了双ORC热经济性双目标优化和热环境三目标优化的帕累托最优解。基于3kW的中低温有机朗肯循环发电系统,实验测量分析了质量流量,过热度,膨胀机进口压力和工质泵进口压力对系统组件运行特性及系统性能的影响。研究了运行参数的敏感度,并通过修正工质泵和膨胀机的等熵效率和机械效率来对理论模型进行修正研究。实验对比了混合工质和纯工质的系统组件特性和性能。研究发现,质量流量的敏感度较大;修正模型比理论模型与实验测量的偏差值减小了67-84%;实验结果显示,混合工质的热效率和系统发电效率优于纯工质。