为了探索CO2跨临界双级循环系统性能提高的方法，基于热力学循环分析方法，对CO2跨临界双级压缩循环建立了数学模型，并进行了理论分析．结果表明：在分析的几种循环中，2个气体冷却器双级循环最优高压最高，带中间冷却器和膨胀机双级循环最优高压最低；低压缩机效率对整个循环性能的影响要比高压缩机效率更为显著；带中间冷却器的循环存在最佳质量分配比；随蒸发温度增加，带中间冷却器的循环要比2个气体冷却器的循环最优中间压力变化要小；气体冷却器出口温度对循环性能的影响，要比蒸发温度的影响大；相同条件下，2个气体冷却器带膨胀机双级循环和带中间冷却器和膨胀机双级循环性能最优，2个气体冷却器双级循环性能最差，膨胀机循环性能要普遍优于节流阀循环性能．

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．

对带回热器和带膨胀机的CO2跨临界循环过程应用热力学进行了对比分析.结果表明,带回热器的CO2跨临界循环过程虽然也能够在一定程度上提高系统效率,但只要膨胀机的效率达到一定值,带膨胀机循环的系统性能将优于带回热器循环的系统性能.

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.

为了全面了解CO2在气体冷却器中的流动及传热特性以及为设计高效气体冷却器提供理论基础，对超临界CO2流体的性质进行了深入的研究，在三维图上分析了温度和压力对超临界CO2热物理性质的影响，并对超临界CO2流体进行了微观分析。结果表明，CO2的比热、密度、导热系数以及粘度在准临界点附近的变化非常剧烈。针对CO2比热的变化特点，得到了准临界温度的计算关联式，并给出了准临界区定义。CO2的密度、导热系数以及粘度变化最大时的温度与准临界温度相当接近。微观分析表明，超临界CO2流体分子间的作用力比较小，分子在临界区附近的聚集行为特别显著，这可以用来解释近临界区CO2物性独特的原因所住。

介绍了采用膨胀机的CO2跨临界循环的系统流程及典型工况，详细分析了膨胀中经历的亚稳态过程的成因和机理，指出了气化滞后对系统的危害，并对相变膨胀过程中的成核现象进行了热力学分析，在此基础上，结合CO2超临界膨胀过程的特点，阐明了气液相变介质中声速的确定方法，认为CO2超临界膨胀过程可近似按照经典热力学的准静态理论进行分析，并指出结论的理论依据。

介绍了采用膨胀机的CO2跨临界循环的系统流程及典型工况，详细分析了膨胀中经历的亚稳态过程的成因和机理，指出气化的滞后对系统的危害，并对相变膨胀过程中的成核现象进行了热力学分析，在此基础上，结合CO2超临界膨胀过程的特点，阐明了气液相变介质中声速的确定方法，认为CO2超临界膨胀过程可近似按照经典热力学的准静态理论进行分析。

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.

分别从热力学、传热、流动过程、驱动方式和制冷剂的角度介绍了当前对于制冷循环中的蒸汽过热、回热循环、湿压缩的一些最新认识;探讨了膨胀机代替节流阀的可行性与节能潜力;阐述了合理传热温差的研究计算方法和降低流动阻力的方法,分析了变频压缩机和燃气热泵的优势及节能潜力,给出了新型替代制冷剂的特点和优势.

为了提高CO2跨临界循环系统的效率，可以采用双级压缩。分析了给定双级系统的最优工况点，一级节流双级压缩系统的最优中间压力以及最优高压压力随不同参数的变化趋势性能，得到了最优高压压力与最优中间压力的关联式，为双级系统的设计提供了理论支持。