我们知道，只有当气态物质温度降低到其临界温度以下才能液化。所有低温工质的临界温度远比环境低，要使这些气体液化，必须应用人工制冷的方法制造低温。
气体液化循环由一系列的热力过程组成，起作用就在于使气态工质冷却到液化所需的低温，并补偿系统的冷量损失，从而获得液化气体。气体液化循环是开式循环，气态低温工质（如空分行业中的空气）在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被液化，部分或全部作为液态产品从低温装置中输出。 任何气体液化循环都是利用低温工质进行状态循环变化过程，通过它的作用使气体在低温时放出的热量转移到环境介质中去。这一过程是非自发的，必须消耗一定的能量。
空气液化循环有四种基本类型：节流液化循环、带膨胀机的液化循环、利用气体制冷剂的液化循环及复叠式液化循环。前两种液化循环目前应用最为广泛，这里也主要介绍这两种循环。
一 林德循环
1 理论循环基本原理
节流液化循环是低温技术中最常用的循环之一。由于节流液化循环装置结构简单，且运转可靠，这就在一定程度上抵消了节流膨胀过程不可逆损失大带来的缺点。
1985年德国林德和英国汉普孙分别独立提出了一次节流液化循环，因此也常称之为简单林德（或汉普孙）循环。
林德循环系统由制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大部件构成。四大件由联接管道串联成一个闭合循环系统，内注制冷工质。
图1 林德循环T-s图及循环流程图
如图1所示，常温、常压（p1）下的空气（点1’），经压缩机A压缩至高压p2,温度升高，并经由冷却器B等压冷却至常温T（点2）。上述过程可近似认为压缩与冷却两过程同时进行，是一个等温压缩压缩过程。此后，高压空气在换热器C中被节流后的返流空气（5点）冷却至温度T3（3点），这是等压冷却过程。然后高压空气（p2）经节流阀节流阀节流膨胀至常压p叉车轮辋1，节流过程会使空气温度降低，降低到p1压力下的饱和温度，同时有部分空气液化。节流后产生的液体空气从气液分离器D导出作为产品，而气体部分引出返流经换热器C，来冷却节流前的高压空气，在理想情况下自身被加热至常温T（点1）。
2 实际循环
实际的一次节流液化循环同理论循环相比存在不可逆损失，主要有：（1）压缩机工作过程中的不可逆损失；（2）换热器中不完全热交换的损失；（3）环境介质传热给低温设备引起的冷量损失，也称为跑冷损失。由于这些损失使循环的液化系数（1kg空气液化得到的液化气体量）减小，效率降低。
3 循环性能指标的影响因素
计算表明（此处从略）：随高压p2增大，液化系数增大，效率提高，并且只有当高压达到一定值时才能得到液化气体，液空的积累才有可能。当然高压提高对压缩机要求提高，成本提高。另外，降低换热器端高压空气（点2处）的温度可以提高循环的经济性，为此除了利用节流后的低压返流空气外，还可以采用外部冷源预冷，以降低进换热器的高压空气的温度，如采用氨或氟利昂制冷机组进行预冷。采用预冷之所以获得较高的效率，主要是因为减少了换热器内高、低压空气的温差，使传热过程的不可逆损失减少，从而提高了循环的效率。
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二 克劳特循环
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1 循环基本原理
在绝热条件下，压缩空气进入膨胀机膨胀对外作功，可获得大的温降和冷量。采用气体输出外功绝热膨胀的循环，目前在气体液化和分离设备中应用较为广泛。
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1902年法国克劳特首先实现了带有活塞式膨胀机的空气液化循环，其流程图如图2。
灌浆剂图2 克劳特液化循环流程图及T-s图
空气经压缩机等温压缩到高压p2（点2），然后经换热器Ⅰ冷却至T管式热交换器原理图3（点3）后分成两部分：一部分空气进入膨胀机E膨胀到常压p1（点4），温度降低并对外作功，二膨胀后气体与返流气体汇合流入换热器Ⅱ、Ⅰ以预冷高压空气；另一部分空气经换热器Ⅱ、Ⅲ冷却至温度T5后，经节流阀节流到p1（点6），获得部分液体，其余的未液化的饱和蒸汽经各换热器冷却高压空气。
在理想情况下，气体膨胀机中的膨胀过程是等熵过程（图中3-4s线）；实际上由于气体在膨胀机中流动存在各种能量损失；外界热量也不可避免的要传入，因此膨胀机的实际膨胀过程有熵增（图中3-4）。
衡量气体在膨胀机中的实际膨胀过程偏离等熵过程的尺度，称为膨胀机的绝热效率，它可以用膨胀气体的实际焓降与等熵膨胀焓降之比来表示即：（hs-h4）/（h3-h4s）。绝热效率越接近于1表明膨胀过程越近绝热膨胀，能量损失越小。
