CO2气体冷却器的结构和换热效果对CO2跨临界制冷循环的性能影响较大，为了能设计出高效的气体冷却器，有必要对CO2气体冷却器进行性能模拟和优化研究：本文首先建立了CO2气体冷却器分布参数计算模型，对CO2制冷剂的出口温度、冷却水出口温度和换热量进行了模拟计算，并与试验测试结果进行了比较，验证了模型的可靠性。然后利用该模型对CO2气体冷却器进行了优化计算，主要分析了换热管径和管长对热重比及压降的影响。结果表明，热重比随管径的增大而下降，随管长的增加而增大。综合考虑热重比和压降两方面因素，CO2气体冷却器适合选择小管径和长管长。

分析了亚临界CO2流体的性质,并与R22和R134a进行了比较。结果表明,CO2的蒸发压力较高,表面张力较低,饱和液相和气相密度比较低,饱和液相粘度较小,比热较高,导热系数较大。微量不凝性气体NC-1对CO2气相物性影响较小。气泡核化分析表明,当过热度和蒸发温度相同时,CO2气泡临界半径以及所含蒸气分子数量级均比R22和R134a小很多,更易于气泡产生。总之,CO2的热物理性更有助于沸腾传热。

主要对带节流阀的CO2跨临界水-水热泵系统建立了数学模型,对系统的制热性能进行了模拟计算,并与试验数据做了对比。主要分析了高压侧压力、冷却水和冷冻水的进口温度和流量分别对系统制热系数和制热量的影响。结果表明,模拟计算结果与试验测试值的一致性较好,从而验证了模型的可信度。模拟所得对应最大制热系数的最佳高压侧压力与实验结果存在一定的偏差。系统的制热性能系数和制热量随着冷却水进口温度的升高而降低,随冷冻水进口温度的升高而增大;而且都随着冷却水和冷冻水流量的增加呈现出升高趋势。

对超临界CO2流体的换热处理原则、换热特点以及换热机理进行了分析，超临界CO2流体特殊的物性变化使得其传热与常规流体不同，应该按“变物性”来处理。通过物性分析比较，与常规工质的凝结换热性能进行了对比研究，超临界CO2具有良好的传热和流动特性，超临界CO2冷却过程换热与凝结换热性能相当。进而分析不凝性气体对超临界CO2的性质及换热性能的影响，其物性值会有所减小，换热性能也有所降低。

CO2气体冷却器的型式和换热效果对 CO2跨临界循环的性能影响较大，有必要对其换热性能进行分析。通过对气体冷却器划分微元，建立了传热过程计算模型，用间接法计算了划分微元与不划分微元时 CO2侧冷却换热系数，并与几个所选换热关联式的计算值进行了比较，结果发现划分微元时的值几乎都高于关联式计算值。综合分析选择了较合适的换热关联式，为系统及气体冷却器的模拟优化提供了依据。进而新建了 CO2热泵实验台，对新气体冷却器的性能进行了测试和比较。结果表明，新 CO2气体冷却器的性能比原换热器有了大幅提高。通过优化达到了改善换热器和系统性能的目的。

为了测试润滑油对CO2流动沸腾换热特性的影响，以指导CO2换热器的设计，对CO2／润滑油混合物在水平管内的流动沸腾换热系数进行了试验研究，试验工况质量流量为2．74～5．61kg／h，热流密度为3．2～5kW／m^2，测试段入口干度为x=0．2～0．5，蒸发温度在-4—8℃之间，选择PAG作为润滑油，浓度为0～6％。试验结果表明，润滑油浓度越大，CO2的局部换热系数越小；润滑油浓度较低时（〈3％），换热系数下降较大，再增大含油量，换热系数下降的趋势减缓。增大蒸发温度可以延迟干涸的发生，相反地，大的热流密度和质量流量可以使管内提前出现干涸。CO2／润滑油混合物的换热系数随蒸发温度的升高而增大，随热流密度和质量流量的增大而减小。

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。

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。

为了对比CO2与常规工质在单级压缩制冷循环中的性能,运用当量温度法理论对两者进行了分析。分别比较了当量蒸发温度为0℃或当量冷凝温度为40℃时,CO2与常规工质在单级压缩制冷循环中的COP和制冷量、制热量随当量冷凝温度和当量蒸发温度的变化情况;计算了不同吸气过热度下回热循环与基本循环的制冷系数的比值。结果显示,基本的单级CO2跨临界循环的性能和制冷量、制热量低于常规制冷循环;在添加回热器后,CO2跨临界循环系统的性能得到了很大的提高。

为了提高CO2跨临界循环的性能，对系统每个部件以及整个系统的优化研究是非常必要的。因此提出了以基于系统的优化目标函数对CO2换热器的结构敏感性进行优化计算，分析了优化目标函数COPm随气体冷却器和蒸发器管径和管长的变化。计算结果表明，CO2跨临界循环系统应选择小管径和长管长。同时对优化后的新系统进行了模拟计算，其COP和制冷量分别比原系统提高了15％和18％。根据优化结果以及原有系统存在的问题，对换热器及相关部件进行了设计加工，进而建立了新的CO2跨临界水水热泵实验系统。结果显示，新系统的COP和制冷量提高了30％左右。总之，实验测试数据验证了模拟计算结果的正确性，所得结果有助于对CO2跨临界水-水热泵系统进行改善。