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The Hampson-Linde Cycle

1895
  • William Hampson
  • Carl von Linde

The Hampson-Linde cycle liquefies gases like air using the Joule-Thomson effect combined with regenerative cooling. High-pressure gas is cooled in a counter-flow heat exchanger by the cold, low-pressure gas returning from the expansion valve. This progressively lowers the temperature at the valve until it drops below the critical point and liquefaction begins, forming the basis for the modern gas liquefaction industry.

Independently developed by William Hampson in Britain and Carl von Linde in Germany, this cycle represented a major breakthrough. Its elegance lies in its simplicity and self-reinforcing nature. The key component is the regenerative heat exchanger, typically a set of coiled pipes. Incoming high-pressure gas flows through an inner pipe, while the cold, expanded gas from the Joule-Thomson valve flows back over the outside of this pipe. This counter-flow arrangement ensures the incoming gas is continuously pre-cooled by the coldest available return gas. With each pass, the temperature of the gas entering the expansion valve drops further. Eventually, the temperature falls below the gas’s inversion temperature, and the Joule-Thomson expansion produces significant cooling. This cooling is carried back through the heat exchanger, creating a positive feedback loop until the temperature is low enough for a fraction of the gas to condense into a liquid upon expansion. This process made the large-scale, commercial production of liquid air feasible for the first time.

UNESCO Nomenclature: 2212
– Thermodynamique

Taper

Thermodynamic Cycle

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Joule-Thomson effect (Joule and Thomson)
  • Concept of counter-current heat exchange
  • Siemens’ regenerative cooling principle (developed for furnaces)
  • Advances in high-pressure compression technology

Applications

  • industrial production of liquid air, nitrogen, oxygen, and argon
  • standard laboratory equipment for liquefying gases
  • cryogenics research
  • pre-cooling stage for hydrogen and helium liquefiers
  • liquid air energy storage (LAES)

Brevets:

  • GB189524525A
  • DE88824

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