对于空调的跨临界制冷循环和热泵循环，以及核反应堆冷却系统和其他系统，在超临界条件下管内摩擦压降的确定对于这类系统和设备的设计、分析和仿真是很重要的环节。比如在锅炉设计的过程中,为了确定水冷壁管的水动力特性 ,必须具有水冷壁管摩擦阻力的数据。为了保证各种设备运行的经济性、效率和安全性，需要针对各种实际情况下超临界流体在流动通道里的流动和传热特性展开系统、深入的研究。许多超临界条件下摩擦因子关联式已经被提出，各个关联式对摩擦因子的预测效果存在一定差异，因此有必要对现有关联是进行对比、评价。同时，我们需要通过研究获得较高预测精度的摩擦因子关系式，这将对超临界流体技术的应用具有十分重要的意义。

（a）密度                                      （b）动力粘度             

（c）导热系数                                    （d）比热容

图1-1  CO2在不同压力下热物性随温度的变化

1。2 超临界流体及其应用

1。2。1 超临界二氧化碳

1967年萨德修斯罗（Thadduslowe）提出使用CO2作为制冷剂，它在历史上曾经是比较重要的制冷剂。其特点是在使用温度范围内压力特别高（例如，常温下冷凝压力高达8MPa）,致使机器极为笨重，但CO2无毒，使用安全，所以曾在船用冷藏装置中作为制冷剂，此历史也延续了50年之久，直到1955年才被氟利昂制冷剂所取代。近年来，由于它对大气臭氧层无破坏作用，同时又具有良好的传热性能，因而重新引起人们的广泛研究并在一定场合得到了应用。在几种常用的自然工质中，可以说二氧化碳最具竞争力，在可燃性和毒性有严格限制的场合，二氧化碳是最理想的。

早期的二氧化碳系统并非超临界系统，整个系统循环都在临界点以下，原因是要达到超临界状态，输出压力要达7MPa以上，压缩机的设计与加工制造难度较高，密封性要好，结构强度要强，才足以承受高压；因此这种非超临界的二氧化碳和氟氯碳化合物相较，是没有竞争力的，不论是是系统效率或功率都比较差。1988年挪威科学暨工业基金会（SINTEF）的G。Lorentizen开始超临界二氧化碳的研究，开启了在热泵热水系统及车用空调的应用。为了提高循环效率 ,二氧化碳制冷系统基本上采用跨临界循环方式。

   图1-2 CO2热力循环图

二氧化碳的临界温度相当低，只有31。1℃。当二氧化碳在制冷和热泵装置中于跨临界状态下运行，即排热过程在超临界条件下进行，吸热是在亚临界条件下进行时，二氧化碳在制冷循环中有独一无二的循环过程。由图1-2可以看到，二氧化碳先进入压缩机压缩，然后穿越超临界区域到达液区，而常规的制冷循环则是在制冷剂膨胀之前经过两相区。工质在临界点之上时，是属于气液不分明的区域。传统制冷剂在两相共存区时的饱和温度与压力一一对应，而穿越超临界区域的二氧化碳其温度、压力各自是独立的函数。进行热交换的两流体能够保持相近的温度差，进而提高热交换器的有效度，将整个热交换均匀分配在热交换器每寸面积上。同时由于不受两相区等压冷凝的影响，且因不受两相区等压冷凝的影响，二氧化碳循环系统能轻易制出较传统系统还要高温度的热水。相对能减少存储体积的需求，更能达到节省空间的需求。

1。2。2 超临界水

水的临界压力为22。129MPa，临界温度为374。15 ℃。在低于临界压力时，汽液两相处于平衡共存状态。其特点是定温定压。随着压力增加，汽化潜热逐渐减小，到临界压力时，汽化潜热为零。当压力和温度均高出临界点时，该状态下的水被称为超临界水，此时不存在汽、液分相的现象，流体不再发生相变。在超临界压力范围内，在任一压力都存在一个相对应的比热的极大值，极大值所对应的超临界水的温度被称为该压力下超临界水所对应的拟临界温度。在拟临界点区域流体的物性剧烈变化，如流体的密度显著减小，比热容显著增大，粘度和导热系数显著减小，拟临界温度随压力增加略有增加，比热容的峰值随压力增加而显著减小，即越接近临界压力，比热容峰值区的影响越大。