เครื่องมือวิศวกรรมฟรี
เครื่องคำนวณการขยายตัวทางความร้อน
คำนวณการขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นและเชิงปริมาตรสำหรับวัสดุมากกว่า 20 ชนิด การขยายตัวของท่อระหว่างจุดยึด การกำหนดขนาดห่วงขยายตัว และความเค้นทางความร้อนเมื่อถูกจำกัด (σ = E·α·ΔT).
ผลลัพธ์การขยายตัว
การขยายตัวเชิงเส้น
โดยที่ α คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ในหน่วย 1/°C, L₀ คือความยาวเดิม และ ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ.
การขยายตัวเชิงปริมาตร
สำหรับวัสดุไอโซโทรปิก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงปริมาตรจะประมาณ 3 เท่าของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นตรง.
ความเค้นจากความร้อน (ชิ้นส่วนที่ถูกจำกัดการเคลื่อนไหว)
เมื่อการขยายตัวถูกป้องกันอย่างสมบูรณ์ (เช่น ท่ออยู่ระหว่างจุดยึดแข็งสองจุด) ความเค้นที่เกิดขึ้นอาจสูงมาก โดยจะเป็นความเค้นอัดเมื่อให้ความร้อน และเป็นความเค้นดึงเมื่อทำให้เย็นลง.
การกำหนดขนาดห่วงขยายตัว (หลักการทั่วไป)
โดยที่ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ (มม.) และ Δ คือระยะการขยายตัว (มม.) ผลลัพธ์ L มีหน่วยเป็น มม. ค่าคงที่ 66 มาจากสูตรคานยื่นแบบมีไกด์ (guided-cantilever) L = √(3 · E · D · Δ / Sₐ) ซึ่งคำนวณสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน (E = 200 GPa, Sₐ = 138 MPa) สำหรับวัสดุอื่นหรือค่าความเค้นที่ยอมให้แตกต่างออกไป ให้ใช้สูตรแบบเต็ม (L แปรผันตาม √(E/Sₐ)) นี่เป็นเพียงการประเมินคร่าว ๆ เพื่อคัดกรองเบื้องต้น ไม่ใช่การวิเคราะห์ความยืดหยุ่นตามมาตรฐานฉบับสมบูรณ์
ตัวอย่างการปฏิบัติ
ที่ให้ไว้: L₀ = 6000 มม., α = 12 × 10⁻⁶ /°C, ΔT = 80°C, E = 200 GPa
ΔL = 12e-6 × 6000 × 80 = 5.76 มม.
ความเค้นจากความร้อนหากมีข้อจำกัด: σ = 200,000 × 12e-6 × 80 = 192 เมกะปาสคาล
ลูปขยายตัว (DN100/OD 114 มม.): L ≈ 66 × √(114 × 5.76) ≈ 1,690 mm ≈ 1.7 m
ฐานข้อมูลวัสดุ CTE
| วัสดุ | α (×10⁻⁶ /°C) | E (GPa) | หมายเหตุ |
|---|---|---|---|
| เหล็กกล้าคาร์บอน | 12.0 | 200 | SA-516, P265GH |
| เหล็กกล้าอัลลอยต่ำ | 12.5 | 200 | 16Mo3, SA-387 |
| เหล็กกล้า Cr-Mo (2.25Cr) | 12.0 | 205 | SA-335 P22 |
| สแตนเลส 304 | 17.3 | 193 | 1.4301, 18Cr-8Ni |
| สแตนเลส 316 | 16.0 | 193 | 1.4401, 16Cr-10Ni-2Mo |
| สแตนเลส 321 | 17.0 | 193 | 1.4541, เสถียรด้วย Ti |
| ดูเพล็กซ์ 2205 | 13.0 | 200 | 1.4462 |
| อะลูมิเนียม 6061 | 23.6 | 69 | เทมเปอร์ T6 |
| ทองแดง | 17.0 | 117 | บริสุทธิ์ อบอ่อน |
| ทองเหลือง (CuZn30) | 20.0 | 110 | ทองเหลืองคาร์ทริดจ์ |
| บรอนซ์ (CuSn8) | 18.0 | 110 | ฟอสฟอร์บรอนซ์ |
| ไทเทเนียมเกรด 2 | 8.6 | 103 | บริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ |
| นิกเกิล 200 | 13.3 | 207 | นิกเกิลบริสุทธิ์ |
| Inconel 625 | 12.8 | 207 | Ni-Cr-Mo |
| อินโคเนล 718 | 13.0 | 211 | Ni-Cr-Fe |
| เหล็กหล่อสีเทา | 10.5 | 110 | GG25 |
| เหล็กหล่อเหนียว | 11.0 | 170 | GGG40 |
| คอนกรีต | 12.0 | 30 | แตกต่างกันไปตามส่วนผสม |
| แก้ว (โซดาไลม์) | 9.0 | 72 | กระจกหน้าต่าง |
| PTFE (เทฟลอน) | 120.0 | 0.5 | มีค่า CTE สูงมาก |
| เอชดีพีอี | 150.0 | 1.0 | โพลีเอทิลีน |
| พีวีซี | 80.0 | 3.0 | พีวีซีแข็ง |
| อินวาร์ 36 | 1.2 | 145 | โลหะผสมที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก |
💡 หมายเหตุ: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่ระบุไว้เป็นค่าเฉลี่ยสำหรับช่วงอุณหภูมิ 20–100°C สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงหรืออุณหภูมิต่ำมาก ให้ใช้ข้อมูลเฉพาะจากมาตรฐานวัสดุ.
CTE (α) measures how much a material changes size per degree of temperature change. Units: µm/(m·°C) or equivalently 10⁻⁶/°C.
Example: Steel α ≈ 12 means a 1-meter bar grows 12 µm (0.012 mm) for each 1°C rise. Over 100°C, that's 1.2 mm — significant for precision machinery and piping.
When a member is fully restrained (can't expand freely), the thermal stress is:
σ = E × α × ΔT
For carbon steel at ΔT = 100°C: σ = 200,000 MPa × 12×10⁻⁶ × 100 = 240 MPa. This is close to the yield strength! Always check that constrained thermal stresses don't exceed allowable values.
Linear: Change in one dimension. ΔL = α × L₀ × ΔT
Volumetric: Change in volume. ΔV ≈ 3α × V₀ × ΔT (for isotropic materials).
Volumetric expansion matters for enclosed fluids (tanks, pipes), sealed containers, and precision assemblies.
Guided-cantilever formula: L = √(3 × E × D × Δ / Sₐ) with E in MPa, D and Δ in mm, Sₐ in MPa (L in mm). Rule of thumb for carbon steel (E ≈ 200 GPa, Sₐ ≈ 138 MPa): L ≈ 66 × √(D × Δ) where D = pipe OD (mm) and Δ = expansion (mm).
For DN100 pipe (OD 114 mm) with 6 mm expansion: L ≈ 66 × √(114 × 6) ≈ 1,700 mm ≈ 1.7 m.
Alternatives to loops: bellows expansion joints, sliding supports, changes of direction in routing.
Yes. CTE generally increases with temperature. The values in our database are mean values for the 20–100°C range.
- Cryogenic: CTE is lower (sometimes much lower)
- High-temp (>500°C): CTE increases 10–30% above room-temp values
- Near phase changes: CTE can change dramatically
For critical applications, use specific material data from standards (ASME II-D, EN 13480) for your exact temperature range.
ขั้นตอนที่อธิบายไว้ในหน้านี้ได้รับการพัฒนาและทดสอบภาคสนามโดยทีมงาน Vibromera โดยใช้ Balanset-1A ซึ่งเป็นเครื่องบาลานซ์และเครื่องวิเคราะห์การสั่นสะเทือนแบบสองช่องสัญญาณชนิดพกพา สำหรับการบาลานซ์โรเตอร์หน้างาน
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko เป็นวิศวกรวิเคราะห์การสั่นสะเทือน และเป็นผู้ก่อตั้งและประธานเจ้าหน้าที่บริหารของ Vibromera กว่า 15 ปีที่เขาถ่วงสมดุลเครื่องจักรหมุนในภาคสนามแทนที่จะทำบนแท่นทดสอบ ได้แก่ มุลเชอร์ พัดลมอุตสาหกรรม เครื่องบด เครื่องหมุนเหวี่ยง เพลา และสปินเดิล งานนี้เองที่ทำให้เกิดเครื่องมือ Balanset — ออกแบบมาให้เป็นเครื่องมือที่ผู้เชี่ยวชาญสามารถถือไปยังเครื่องจักรและใช้งานได้ด้วยตัวคนเดียวหน้างาน ไม่ใช่อุปกรณ์สำหรับห้องปฏิบัติการ Vibromera ก่อตั้งขึ้นในปี 2017 และตั้งฐานอยู่ที่เมืองปอร์ตู ประเทศโปรตุเกส ตั้งแต่ปี 2023 การพัฒนา การประกอบ และการสนับสนุนผลิตภัณฑ์ตระกูล Balanset ทั้งหมดเกิดขึ้นที่นี่ เครื่องมือเรือธงคือ Balanset-1A เครื่องวิเคราะห์แบบพกพาสำหรับการถ่วงสมดุลหนึ่งระนาบและสองระนาบ และสำหรับการวินิจฉัยการสั่นสะเทือน Nikolai มีส่วนร่วมด้วยตนเองในการสนับสนุนลูกค้า ในการแก้ไขงานถ่วงสมดุลที่ยาก และในการพัฒนาซอฟต์แวร์ เขาทำงานกับลูกค้าทั่วโลกในทุกภาษา