在热力学第一、第二定律的基础上研究了跨临界制冷循环若干适用条件,详细分析了跨临界制冷循环对环境温度、制冷压力和温度、回热温差的要求,得出了启动危机、最小制冷高低压差等概念.将这些成果用于CO2制冷剂的分析,获得了相应的数据,可供研究CO2跨临界制冷系统应用.

在工业制冷、食品冷冻冷藏和室内外热舒适调节等方面,CO2作为一种自然环保制冷剂愈来愈受到人们的青睐。近年来,CO2制冷剂的应用范围由原来的热泵热水器逐步扩大,从小型制冷装置上的饮料零售机、制冰机到大型超市的带热回收装置的并联机组等;而用于CO2工质的制冷循环也由单一的复叠、二次载冷系统扩展为跨临界、跨临界增压等系统。文中阐述了CO2在低温下的热力学性质与特性分析,以及在跨临界制冷循环中的应用和提高系统性能的方法。

为需要较低温度的用冷空间提供冷源,设计由太阳能集热循环,水蒸气喷射制冷循环,CO2低温制冷循环组成的太阳能辅助热源水蒸气喷射引射冷却的CO2低温制冷的组合循环,通过热力计算得出随着蒸发温度的升高,太阳能辐射强度的增大,集热器面积的增大,组合循环的性能提高。蒸发温度每升高1℃,组合循环的性能系数增大4.3%,太阳能辐射强度每增加1W/m2,组合循环的性能系数增大2.8%,太阳能集热器面积每增加1m2,组合循环的性能系数增大约6%。发生器内水蒸气温度对组合循环的性能影响不大,太阳能辐射强度、集热器面积以及喷射器引射率对组合循环的影响较大。组合循环节省运行费用,节约能源,有很好的发展前景。

总结了常见的池沸腾换热关联式。通过对池沸腾换热过程分析得出CO2在小热流密度和大热流密度范围下的一种分段的换热关联式。将新的拟合公式值和预测关联式值进行比较，得出CO2的拟合公式值与理论关联式及实验拟合关联式的预测值的偏差在±16％之内，具有一定的通用性。通过对CO2池沸腾换热过程的分析，得出池沸腾换热的影响因素及其变化规律，并总结了常用的强化池沸腾换热方法。

为了测试在相同工况下,CO2跨临界循环非绝热毛细管各区段的换热能力;并测试毛细管进口压力10MPa,进口温度39℃,蒸发温度7℃,制冷量1k W时,5种内径毛细管所需的长度,以及毛细管换热量随毛细管管径的变化情况,搭建了CO2跨临界循环试验台,进行了相关试验,试验结果表明：非绝热毛细管在超临界区域换热能力最强,亚临界两相区换热能力最弱,毛细管换热量随毛细管内径增大而增加。

为了设计出结构紧凑、具有更好换热性能的CO2蒸发器,本文建立了套管式CO2蒸发器的计算模型,论述了套管式换热器的计算方法和步骤,并最终确定了套管式换热器的结构尺寸和型式。结果表明：传热系数随管束内径的增大先增大后减小,CO2侧压降随管束内径的增大而减小;管束个数增加,换热系数和CO2侧压降都减小。研究成果可为今后套管式CO2蒸发器的优化设计提供理论依据。

基于CO2作制冷剂应用于热泵系统的优良特性,搭建空气源热泵热水系统试验台,进行了单根毛细管、双毛细管、3根毛细管并联组合分别作为节流元件的对比试验,结果表明采用3根毛细管并联组合节流时具有全天候平均COP最高,并得出各温度阶段适用毛细管组合规律,为提高CO2热泵热水器制热能效提出理论依据。

为了提高复叠式制冷系统的性能，有必要对不同的复叠式制冷循环进行对比分析。本文建立了2种分别采用R290/CO2与R404A/CO2工质的复叠式制冷循环的计算模型，并进行理论模拟计算与对比分析。结果表明，R290/CO2复叠式制冷循环的COP比R404A/CO2循环高；而且2种制冷循环中，都存在最佳低温循环冷凝温度，使得系统COP取得最大值。应尽量增大蒸发温度、减小冷凝温度以及降低冷凝蒸发器传热温差，这也有利于循环的安全运行。总之，R290/CO2复叠式制冷循环的综合性能更优，在环境保护、节约能源方面具有较好的发展前景。

为需要较低温度的用冷空间提供冷源,设计由太阳能集热循环,水蒸气喷射制冷循环,CO2低温制冷循环组成的太阳能辅助热源水蒸气喷射引射冷却的CO2低温制冷的组合循环,通过热力计算得出随着蒸发温度的升高,太阳能辐射强度的增大,集热器面积的增大,组合循环的性能提高。蒸发温度每升高1℃,组合循环的性能系数增大4.3%,太阳能辐射强度每增加1W/m2,组合循环的性能系数增大2.8%,太阳能集热器面积每增加1m2,组合循环的性能系数增大约6%。发生器内水蒸气温度对组合循环的性能影响不大,太阳能辐射强度、集热器面积以及喷射器引射率对组合循环的影响较大。组合循环节省运行费用,节约能源,有很好的发展前景。

在自行研制的跨临界CO2热泵热水器实验台上,通过调节系统中阀门开度控制喷射器的进出口压力和温度,研究喷射器的流量、喷射系数、压缩比和效率的变化规律。实验结果表明:同时增大工作流体压力和引射流体压力可以提高喷射器的工作性能,减小工作流体压力或者增大引射流体压力可以提高喷射器的工作完善度。高效率喷射器的研制是优化跨临界CO2热泵系统的关键要素。