随着人们环境保护意识的增强,常规人工合成制冷剂由于具有臭氧层破坏势和温室效应势,其替代问题已成为制冷空调行业的研究热点。自然工质CO₂具有良好的环保性和优良的热力学特性,是制冷剂替代和发展的一种理想选择之一。随着CO₂制冷热泵系统应用领域的进一步扩大,系统容量也会不断的增加,因此本文针对CO₂跨临界循环水-水热泵系统适用于不同容量的蒸发器开展了研究。本文结合可持续发展观及环境保护回归自然的理念,提出了制冷热泵系统的综合评价体系,该体系从以下三个方面进行量化:一是用自然度评价制冷剂影响自然界的程度;二是用热力完善度评价系统效率接近卡诺循环的程度;三是对于制冷或热泵整个系统,包括热源和终端,提出了系统的理想度。并分别进行了量化计算,得到的结果可为系统的评价和改进提供参考。针对自然度优良的CO₂制冷热泵系统,本文首先对带套管式蒸发器的CO₂水-水热泵进行了理论分析及试验研究,以此作为本文CO₂水-水热泵的试验基准。研究探讨了内部参数及外部参数水温、水流量对系统性能的影响规律,得到以下结论:提高吸气过热度对系统效率影响不大,但会导致压缩机排气温度升高。降低气体冷却器出口温度可以提高系统效率;减小冷却水的流量或增大冷却水进口温度,均可使热水温度升高,但此时的制热COP下降;增大冷冻水进口温度或水流量,制热COP与热水温度均提高。本文把在大容量常规制冷剂系统中具有较好效果的降膜式蒸发器引入到了CO₂热泵系统,开展了CO₂降膜蒸发器的基础研究。在降膜蒸发换热过程中,干斑的形成会使换热系数急速下降,而干斑极易在液膜变薄的地方产生。为了解管外的液膜分布情况及分析蒸发器的结构尺寸对液膜分布情况的影响,本文通过CFD数值模拟计算,得到了CO₂降膜的流动过程及管外液膜厚度的分布规律及管径、管间距、布液器开孔孔径和布液器高度对液膜厚度的影响。依据CFD模拟结果设计了CO₂降膜式蒸发器,通过试验分析了水平管束式CO₂降膜蒸发器换热性能。试验结果表明:随着蒸发温度、热流密度及工质流量的增大,制冷剂侧换热系数和总的传热系数均呈增长的趋势。管束上部换热管的换热系数大于下部换热管换热系数,管束中间换热管的换热系数大于两边换热管的换热系数。变蒸发温度、热流密度时,管间流型是柱状流。变工质流量时,出现了滴状流向柱状流的转变。在试验条件下,工质流量为212kg/h时,同时出现了滴状流和柱状流。通过结构强度分析及换热和系统性能试验研究,得到满液式蒸发器及降膜式蒸发器在CO₂跨临界循环系统上都可安全高效地运行。在同样的外部热源参数下,降膜式蒸发器系统性能要好于满液式蒸发器和套管式蒸发器系统。