CO₂作为天然工质,拥有传统HCFCs和HFCs类工质不可比拟的优势,是非常有潜力的工质替代物。因此,大力发展跨临界CO₂技术,对于环保和节能具有非常重要的现实意义。本文以跨临界CO₂实验平台为研究对象,通过理论分析、实验验证与性能优化相结合,为天然工质CO₂推广与应用提供基础资料。天然工质CO₂在环保、热力学性质等多方面有明显优势,可以从根本上解决工质替代问题。本文对跨临界CO₂单级压缩制冷循环进行了理论分析,对系统高压压力、蒸发温度、气体冷却器和外部热源条件对系统性能的影响进行了较为全面的实验研究。结果表明:存在最优高压压力使系统COP达到最大值;冷却水流量对系统性能影响不明显,工质充注量、蒸发温度、冷冻水流量、冷却水温度和冷冻水温度对系统性能有较大影响;高压压力对气体冷却器换热性能影响不大,而增加管长可以明显改善换热效率,气体冷却器出口温度升高导致制冷量下降和压缩机耗功增加,且最优压力快速增加。使用膨胀机代替节流阀具有明显的性能优势,无论膨胀机效率高低,其性能都优于节流阀循环,提升膨胀机等熵效率,是提高系统性能的重要因素;采用双级压缩是提高循环性能、降低耗功的有效途径。系统比较了跨临界CO₂双级压缩制冷循环的性能,分析表明:两级压缩膨胀机循环的性能十分突出;压缩机入口有害过热会对循环性能产生不利影响;取得最佳性能的中间压力并不是高、低压的几何平均值,而是有一定偏差,但对系统性能影响不大。本文建立了CO₂/NH₃复叠式制冷循环的理论分析,结果表明:存在最优蒸发-冷凝器的中间温度使循环的性能系数达到最大,带膨胀机同时过冷CO₂/NH₃复叠式制冷循环的理论COP优于传统R22/R13复叠循环和NH₃双级循环,回热器的换热效果直接影响系统性能。