本文以CO₂热泵热水器气体冷却器为研究对象,对气体冷却器的换热过程进行了计算模拟、可视化研究和换热器对比实验研究。首先通过理论分析,研究了CO₂跨临界循环系统的COP和火用效率随不同参数的变化情况。比较了不同蒸发温度、高压压力、过热度、气体冷却器出口温度下,各参数对系统性能和压缩机出口温度的影响。提高蒸发温度,选取合适的高压压力,提高过热度,降低气体冷却器出口温度都有助于提高系统性能或压缩机出口温度。通过分布参数法建立了气体冷却器的换热模型,并对不同流量及管数情况下的换热过程进行了模拟。比较了工质流量、工质管管径及管数对换热性能优劣的影响。增加质量流量、采用合适的管数以及管径、提高水侧换热系数可以改善冷却水出口温度,但可能会增加换热器的压降。对气体冷却器加工安装了高透明的石英玻璃,一方面通过采用高速摄影的方法,观察了工质为气液两相状态时的气体冷却器内部的紊流过程。另一方面通过在润滑油中添加荧光物质的方法,观察了不同温度和压力下润滑油在工质中的存在形式及流动过程。发现随着系统运行温度的增加,润滑油由开始在壁面上不均匀分布的油滴状态逐渐转化为均匀分布的油膜状态。设计加工了工质管管数为4的气体冷却器,并同之前的工质管管数为3的换热器性能进行了对比。在相同的入口参数下,新气体冷却器的冷却水出口温度、COP、换热量和换热系数均有所增加,同时压降也有不同程度的增加。