为了使R744在复叠式制冷系统中运行的最低温度突破三相点的限制，用R744与自然工质（如R170或R1150）混合组成二元混合物，使其突破R744的三相点温度，完全使用自然工质混合物替代R13，在复叠式制冷系统的低温环路中运行．通过建立固液平衡和气液平衡的模型，得到保证R744在200K不结晶的摩尔分数，并针对固定组分的二元混合物进行循环性能计算．计算结果表明，R744／R170的一种混合物在相同的冷凝和蒸发温度下与R13相比，压缩比相同，压力曲线非常接近，单位容积制冷量、单位质量制冷量和制冷系数相差不大，具有与R13相近的循环性能．质量比为2：8的R744／R170混合物是R13的理想的自然工质替代物．

传统的复叠式制冷循环通常采用的几种工质破坏臭氧层且温室效应较强，为此，对低温级以CO2为工质的复叠式制冷系统进行热力学理论分析，计算了不同蒸发温度下最佳COP及其对应的低温循环冷凝温度和流量比．通过对几种工质组合(R22-R12，R134a-CO2，NH3-CO2，R290-CO2，CO2-CO2，CO2-CO2加膨胀机)的比较，可发现自然工质的COP与传统工质的相当．综合考虑环境因素及设备的选择，自然工质系统值得推荐．

通过对自然工质R290/CO2和NH3/CO2与常规工质R22/R13的复叠式制冷循环的热力学分析,得出R290/CO2复叠式制冷循环的COP比常规工质R22/R13的低,提出CO2低温循环采用膨胀机代替热力膨胀阀,从而提高了COP.在NH3/CO2复叠式循环的NH3高温循环和CO2低温循环中都采用膨胀机代替热力膨胀阀,可以大大地提高COP.自然工质R290/CO2和NH3/CO2替代常规工质R22/R13复叠式制冷循环有很好的前景.

用实验与关联式理论计算对比的方法,研究了自然工质丙烷在外径9.52 mm 的铜光管、内螺纹管及内交叉肋管内的冷凝换热特性.冷凝实验的进口压力为1079 kPa (30℃) 和 1369 kPa (40℃),质量流速为100,150,200,250和288 kg/m2s,进出口状态均保持饱和状态.为获取平均局部换热系数,实验管段为套管式逆流换热器结构,分为1m 长四段,弯头相连.制冷剂在内管内冷凝,而10% 的乙醇溶液在管间流动.实验结果与大多针对非自然工质(CFC, HCFC或HFC)建立的关联式的预测结果基本吻合.

介绍了用于低温环境下采用自然工质CO2、NH3和R2903的复叠式制冷循环,介绍和分析了CO2、R290和NH3的物性特征,并且进行了复叠式制冷循环的热力学理论分析,通过计算得出了不同蒸发温度下的最佳低温循环的冷凝温度和最佳流量比.通过CO2-NH3,CO2-R290和NH3-NH3复叠式循环的比较,可以看出CO2-NH3、CO2-R290的复叠式制冷循环在低温制冷条件下有明显优势.

CO2是一种环保节能的自然工质。本文介绍了CO2的各种物理化学性能,以及在商业冷冻系统中的应用;介绍了CO2在间接制冷系统、亚临界循环系统、跨临界循环系统中应用的原理和特点,并比较了它们的优缺点。

对CO2/NH3复叠制冷系统进行分析的同时，并与NH3/NH3双级压缩进行对比，阐述CO2/NH3复叠系统在-35～55℃低温领域具有的优势，该系统具有良好的应用前景。

从理论计算出发，对自然工质用于制冷循环系统的几种常见系统进行了模拟；在多种工况下，分别对NH3、R290和CO2的单级压缩式、双级压缩式、NH3-CO2复叠式以及R290-CO2复叠式循环系统进行了计算分析，综合考虑系统COP和压缩机进口比容两方面因素并进行比较，为自然工质用于各种制冷循环系统提供了一个参考。

详细分析和总结了国内外自然工质R290制冷空调系统的应用与研究现状。R290单位容积制冷量大、价格低廉、臭氧消耗潜值为0,全球变暖潜值很小,热力性能与常规制冷剂相比有明显的优势。R290制冷空调系统结构紧凑,制冷剂的充灌量少,金属材料的消耗少,设备的初投资少。随着R290应用技术研究的不断深入,环保制冷剂R290将拥有广阔的市场应用前景,在未来制冷空调系统中将显示出巨大的优越性。