随着绿色节能意识在全球的传播,CO₂热泵热水器凭借其优良的特性受到人们的推崇。本文通过理论分析、模拟设计和实验研究相结合,对CO₂热泵热水器系统及性能进行了重点研究。通过对CO₂超临界冷却换热理论进行分析,设计了配有可视化装置的气体冷却器,并进行了实验研究。CO₂热泵热水器依托于CO₂跨临界循环,故本文首先对CO₂跨临界循环系统进行了基础研究,并分析了超临界热物性及超临界换热的理论,对影响超临界换热的因素进行了详细的阐述。在超临界冷却换热条件下,CO₂特殊的热物性以及润滑油等因素的影响使得对气体冷却器的设计复杂化。通过建立CO₂超临界冷却换热模型,选择合适的换热关联式,并考虑润滑油对换热的影响,本文设计了新的气体冷却器,并与原气体冷却器进行了对比实验和分析。实验结果显示,新气体冷却器的换热性能得到了提升,在标准工况55℃出水时,系统效率达到3.8。在相同压比或蒸发温度工况下,新气体冷却器换热性能均得到提升。系统存在最优蒸发温度,新气体冷却器的最优蒸发温度范围为1～3℃。为了研究CO₂/润滑油混合物的存在形态,设计了超临界CO₂的可视化装置。其工质侧视镜采用高纯度耐压石英玻璃管,水侧视镜采用透明的有机玻璃管。通过实验观察,发现在气体冷却器冷却过程中,随着压力和温度工况的改变,CO₂/润滑油混合物呈现不同的状态,在靠近临界压力的一定温度范围内,肉眼观测或普通摄影为白雾状,在高速摄影下呈现气液两相流。此外,可以观察到润滑油在不同工况下呈现不同的型态,为研究润滑油对换热的影响提供了新的依据。