本文以R134a、R290和CO2制冷剂为研究对象,分别对三种单、双级循环的性能进行对比。结果表明,随蒸发温度增加、压缩机效率升高和冷凝器出口温度降低,所有循环性能均提高,单级CO2循环存在最优排气压力;用膨胀机代替节流阀可以显著提高CO2跨临界循环COP;低压级压缩机的效率比高压级压缩机对系统性能影响明显。双级循环中,CO2循环最优中间压力远高于其它两种循环。本研究为高效、节能的空调和热泵产品开发提供基础资料。

CO2蒸发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蒸发器,有必要对CO2蒸发器进行性能模拟和优化研究.首先采用稳态集中参数法建立了CO2蒸发器计算模型,对制冷量、冷冻水出口温度、压降以及CO2制冷剂的干度进行了模拟计算,并与实验值进行了比较,根据两者的比较结果对模型进行了修正.然后利用该模型对CO2蒸发器进行了优化计算,主要分析了换热管径和管长对冷重比及压降的影响.结果表明,冷重比和压降都随管径的增大而下降;而随着管长的增加,冷重比上升很快,并在1.4 m左右出现最大值,压降却随管长的增加而增大.综合考虑冷重比和压降两方面因素,CO2蒸发器适合选择小管径和长管长.

摘要：针对跨临界CO2带膨胀机和带喷射器逆循环的差异，从循环工作原理、CO2超临界流体降压过程及循环性能三方面进行对比分析。利用蒸发波理论分析了CO2超临界流体降压过程，结果表明这两个降压过程均是由亚稳态经历蒸发波后发生气液两相流的，其过程均受蒸发波影响。当其他条件相同，气体冷却器出口温度为35℃时，带膨胀机仇为0．7循环的EER最大值比带喷射器肛为0．7循环的EER最大值高24％，而在蒸发温度为5℃时，前者的EER最大值比后者的EER最大值高33％。在比较工况下，跨临界CO2带膨胀机循环在膨胀机绝热效率为30％-70％时的效率普遍高于带喷射器循环在喷射系数为0．3～0．7时的效率。

基于常规能源日益稀少，环境污染日益严重，主要研究开发利用太阳能来进行低温发电。采用了CO2、R123、R134a、R290、R600、R236fa、R245fa、NH3等8种常用的制冷剂，选用等工况（same working condition,SWC）和最佳蒸发压力（optimal evaporating pressure，OPO）两种研究方法，分析各个工质的循环特性。并以CO2的跨临界循环和R134a的亚临界循环为例，进行分析，对比了不同太阳辐射量和工质质量流量下效率、温度及膨胀比的变化。结果表明，CO2的膨胀比最小，膨胀性能优于其他7种工质，最差的为R245fa。OPO法的计算方法只适用于亚临界循环，不适用于跨临界循环。在进行非常规循环（跨临界循环）与常规循环（亚临界循环）热源条件变化的对比中，SWC法更有说服力。

本文以R134a、R290和CO2制冷剂为研究对象,分别对三种单、双级循环的性能进行对比。结果表明,随蒸发温度增加、压缩机效率升高和冷凝器出口温度降低,所有循环性能均提高,单级CO2循环存在最优排气压力;用膨胀机代替节流阀可以显著提高CO2跨临界循环COP;低压级压缩机的效率比高压级压缩机对系统性能影响明显。双级循环中,CO2循环最优中间压力远高于其它两种循环。本研究为高效、节能的空调和热泵产品开发提供基础资料。

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。

基于CO2跨临界循环系统原理，对三种单级循环进行了性能分析。结果表明：SCV循环、SCV＋IHX循环和SCE循环都存在最优高压压力；随压缩机排气温度变化，SCV循环系统COP最小，SCE循环COP最大；随着蒸发温度的增加，三个单级循环COP均增加，SCE循环性能最优，SCV循环性能最差；随着气体冷却器出口温度的增加，三个单级循环COP均下降，SCE循环性能最优，节流阀SCV循环性能最差。与蒸发温度相比，气体冷却器出口温度对最优高压压力的影响较大。

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。