Что такое линейное расширение металла
Обновлено: 21.09.2024
Под линейным расширением подразумевают способность изделия изменять свои размеры при повышенных температурах. Данная особенность свойственна для трубопроводов всех материалов, в том числе и из полипропилена.
Что такое коэффициент линейного расширения
Коэффициент линейного расширения представляет собой физическую характеристику, которая показывает относительное увеличение линейных габаритов труб либо других изделий в условиях возрастания температуры на 1К (Кельвин) при неизменном давлении.
коэффициента линейного расширения осуществляется по формуле:
α– коэффициент линейного расширения;
Δl – удлинение трубы;
l1 – первоначальная длина трубы при Т1;
Δt – разность температур.
Независимо от того, из какого материала изготовлены трубы (металла, полипропилена или какого-то другого), в любом случае при проектировании трубопроводных коммуникаций следует учитывать линейное расширение стали, ПП и т.д.
В трубопроводах холодного водоснабжения изменения температуры практически отсутствуют, поэтому в этом случае трубы не изменяют свои размеры, следовательно, на данную величину можно не обращать внимания. Совсем иначе обстоят дела с системами подачи горячей воды и отопительными коммуникациями, в которых имеет место процесс температурного расширения.
Чем опасно линейное расширение
Стоит отметить, что у неармированных трубопроводных изделий коэффициент температурного расширения гораздо выше, нежели у армированных. Данное обстоятельство также следует учитывать при расчёте трубопроводов.
Если выпустить из виду линейное расширение полипропиленовых труб, то в результате воздействия температурных нагрузок возможно вырывание элементов крепежа и появление на прямолинейных участках синусоидальных деформаций. В таких местах начинает собираться воздух, на фоне чего ухудшится пропускная способность сети. В системах отопления происходит снижение температуры рабочей среды в радиаторе и поломка соединений.
Факторы, влияющие на тепловое расширение
Каждый материал отличается химическими характеристиками и физическими показателями, которые влияют на особенности эксплуатации и подверженность изделия воздействию внешних факторов.
Коэффициент линейного расширения труб во многом зависит от химического состава материала, из которого они изготовлены. Например, полипропиленовые изделия при многих своих преимуществах перед металлическими трубопроводами, более подвержены температурному удлинению. Но если говорить именно о трубах из ПП, то более устойчивы армированные модели.
Отдельного внимания заслуживает продукция "Акватерм", которая по сравнению с другими трубами из полипропилена гораздо устойчивее к температурным нагрузкам.
Рассмотрим особенности линейного расширения различных материалов.
Особенности линейного расширения труб из поливинилхлорида
Поливинилхлоридные (ПВХ) трубы так же, как и другие пластиковые изделия подвержены тепловым деформациям. В условиях эксплуатации ПВХ систем из поливинилхлорида происходит удлинение трубопровода. При этом линейное расширение составляет 0,06-0,08 мм/м ( о С).
Особенности линейного расширения труб из ABS
У труб ABS величина линейного удлинения составляет 0,09 мм/м ( о С), что гораздо больше, чем у полипропиленовых труб.
Особенности линейного расширения труб из полиэтилена
По сравнению с трубопроводной продукцией из полипропилена, полиэтиленовые трубы обладают достаточно высоким температурным удлинением – 0,15-0,20 мм/м ( о С). В то время, как этого недостатка лишены изделия из сшитого полиэтилена, у которого данный показатель составляет 0,024 мм/м ( о С). Благодаря этому, трубы PEX подходят для использования в системах, которые будут эксплуатироваться при повышенных температурных нагрузках. Но тем не менее для продления срока службы трубопроводной коммуникации крайне важно компенсировать тепловые деформации.
Особенности линейного расширения труб PVDF
Трубы из PVDF имеют много плюсов, но при этом у них довольно высокий коэффициент линейного расширения. Поэтому они менее подходят для создания отопительных сетей и коммуникаций горячего водоснабжения, чем полипропиленовые трубы. Тепловое удлинение трубы PVDF составляет 0,12-0,18 мм/м ( о С).
Особенности линейного расширения труб PB
Изделия из PB (полибутилена) при всех своих достоинствах реагируют на скачки температуры. У труб PB линейное расширение достигает 0,12 мм/м ( о С).
Особенности линейного расширения труб из металлопласта
Металлопласт представляет собой многослойную конструкцию. Каждый из входящих в состав материалов имеет разное тепловое расширение. В результате этого при температурных колебаниях возможно расслоение изделия и нарушение герметичности в месте соединения. В целом линейное расширение металлопласта не превышает 0,025 мм/м ( о С).
Особенности линейного расширения стали
Коэффициент линейного расширения стали зависит от марки металла, каждая из которых имеет свой состав. Включение тех или иных добавок обуславливает свойства материала. При создании отопительных коммуникаций из ПП изделий для компенсации линейного расширения реализуются разные решения. В большинстве ситуаций создаются угловые соединения. При необходимости создать строго прямолинейный участок данная проблема устраняется с помощью технологии скользящей трубы – создание подвижного соединения, которое располагается между двумя точками крепежа. При этом в случае повышения температуры обеспечивается нужное удлинение.
Особенности линейного расширения металла
Линейное расширение металла является одним из самых минимальных. Коэффициент теплового удлинения можно рассчитать самостоятельно или посмотреть в соответствующей справочной литературе. Наиболее подвержены температурным нагрузкам алюминий и медь. Если сравнивать алюминиевые и стальные трубы, то данная величина у изделий из алюминия в два раза больше, нежели у трубопроводной продукции из стали. Поэтому при использовании металлических труб для создания отопительных сетей, следует заранее выполнить необходимые расчёты (формула линейного расширения указана выше).
Особенности линейного расширения труб из полипропилена
Как показывает расчёт линейных расширений, обычные ПП трубы обладают высоким коэффициентом температурного удлинения. Так, например, если монтировать трубопровод при температуре 20 о С, а потом начать транспортировать по нему рабочую среду при температуре 90 о С, то сама коммуникация нагреется до 70 о С. В результате температурного воздействия произойдёт изменения размеров: 10,5 мм на каждый метр.
Эффективным решением данной проблемы стало изготовление армированных труб, у которых коэффициент температурного расширения в 5 раз меньше, нежели у изделий без армирования.
Из всего существующего ассортимента полипропиленовых трубопроводных систем, представленного на современном рынке, у труб "Акватерм" один из самых низких коэффициентов линейного удлинения.
Сводная таблица линейного расширения разных пластиковых труб
Как избежать линейного расширения
Такая особенность, как деформация в результате воздействия температур, со временем приводит к удлинению и провисанию системы. В случае с полипропиленовыми трубами вопрос решился благодаря гибким компенсаторам, которые устанавливаются на прямых участках коммуникации более 10 м. Данные компенсирующие детали представляют собой достаточно простые соединительные элементы, напоминающие завёрнутую петлю. В их задачу входит компенсация расширения труб в результате резких скачков температуры и давления.
- Обеспечить стабильное давление в трубопроводах на протяжении всего периода эксплуатации системы;
- Сохранить прямолинейность на всех участках трубопровода.
Использование гибких компенсаторов решает вопрос с линейным расширением у полипропиленовых труб. А у труб Акватерм он полностью нейтрализуется и значение приближается к 0. При этом остаются все положительные качества ПП труб, которые позволяют создавать надёжные и долговечные трубопроводы.
Как решить проблему линейного расширения труб из других материалов
Если для труб используются гибкие компенсаторы, то при монтаже коммуникаций из поливинилхлоридных комплектующих вообще не устанавливаются компенсирующие элементы. А для PVDF систем предназначены компенсаторы Козлова. Их установка положительно сказывается на качестве трубопровода и эксплуатационном периоде.
Разновидности компенсаторов
В настоящее время выпускаются разные модели компенсаторов:
Г-образные;
Z-образные;
П-образные;
Сильфонные, которые в свою очередь бывают сдвиговыми, осевыми и т.д.
О компенсаторах более подробно будет рассказано в нашем следующем обзоре.
Подводя итог, стоит сделать акцент на важность значения линейного расширения труб при проектировании трубопроводов, поскольку оно влияет на их качество и срок службы.
Пластиковые трубы не требующие компенсаторов
Пластиковые трубы от немецкой компании "Aquatherm" имеют много преимуществ, одним из которых является минимальное линейное тепловое расширение 0,035 мкм. Таким низким показателем не может похвастаться ни одна аналогичная продукция. В большинстве случаев коэффициент линейного термического расширения составляет 0,15 мкм.
Минимальная деформация гарантирует работу трубопровода без повреждений долгие годы и обеспечивает возможность не использовать компенсаторы при вертикальной прокладке в шахте и каналах.
Трубы широкого спектра применения.
Система отлично подходит для подведения воды к бассейнам, как в частных, так и промышленных масштабах. Так же используется для транспортировки химических сред.
Линейное расширение труб
Коэффициент линейного расширения
Определение и формула коэффициента линейного расширения
При увеличении температуры происходит расширение твердого тела, которое называют тепловым расширением. Его делят на линейное и объемное тепловое расширение.
Коэффициентом линейного расширения называют физическую величину характеризующую изменение линейных размеров твердого тела при изменении его температуры. Оперируют, обычно средним коэффициентом линейного расширения. Обозначают его Коэффициент линейного расширения относят к характеристикам теплового расширения материала.
Допустим, что изначальная длина тела равна — его удлинение при увеличении температуры тела на , в таком случае определен формулой:
Коэффициент линейного удлинения является характеристикой относительного удлинения ( ), которое происходит при увеличении температуры тела на 1К.
Применение коэффициента линейного расширения
Коэффициент линейного расширения используют для нахождения длины тела ( ), после нагревания , она считается равной:
Формулу (2) можно использовать и для нахождения длины тела при его охлаждении.
Величина зависит от вещества, из которого изготовлено тело. В большом количестве случаев .
Величина в общем случае зависит от температуры. Эмпирически установлено, что одно и то же тело при высоких температурах испытывает большее тепловое расширение, чем при низких температурах. Но в большинстве случаев этим пренебрегают и считают, что изменение размеров тела пропорционально температуре.
Для нахождения величины коэффициента линейного расширения измеряют длину стержня ( ) из изучаемого материала. При этом температура стержня поддерживается одинаковой по всей длине. Температуру увеличивают на некоторую величину и измеряют удлинение стержня которое вызвало повышение температуры. Для изменения малой величины удлинения применяют, например, микроскоп. При этом один конец стержня закрепляют и в микроскоп наблюдают за перемещением другого конца при нагревании.
Следует отметить, что коэффициент линейного расширения можно считать постоянной величиной, не зависящей от температуры только при небольших изменениях температур. Так, для железа при температуре, равной o C ; при 0 o C ; при 600 o C . Следовательно, формулу (2) применяют для небольшой величины , используя значение коэффициента линейного расширения для соответствующего интервала температур.
Единицы измерения
Основной единицей измерения коэффициента линейного расширения в системе СИ является:
Примеры решения задач
![\[l_{Zn}=l_0\left({\alpha }_{lZn}\Delta T+1\right)\left(1.1\right);\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-3cb4fc11524b649c8dfdd4e5370f5092_l3.png)
![\[l_{Fe}=l_0\left({\alpha }_{lFe}\Delta T+1\right)\left(1.2\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-ba633a67e3a505284f29b7e6c658bdf7_l3.png)
где длины каждого из стрежней при температуре 0 o , — длина стержня из цинка при 100 o C, — длина стержня из железа при 100 o C.
Вычтем из (1.1) выражение (1.2), получим:
![\[l_{Zn}-l_{Fe}=l_0\left({\alpha }_{lZn}\Delta T+1\right)-l_0\left({\alpha }_{lFe}\Delta T+1\right)=d\left(1.4\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f11adad8839e8bb22d26d282c96a228f_l3.png)
Из формулы (1.4) выразим искомую длину , получим:
Значения коэффициентов линейного расширения возьмем для соответствующих материалов из справочных таблиц: Переведем в систему СИ d=1мм= м. Проведем вычисления:
![\[l_0=\frac{{10}^{-3}}{(3-1,2)\cdot {10}^{-5}\cdot 100}\approx 0,555\ \left(m\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-0a9bbd5cf2cabf4bba7bf12916301f4e_l3.png)
| Задание | Длина металлического стержня ( при температуре К) при температуре равна . Каково удлинение этого стержня при температуре . |
| Решение | В качестве основы для решения задачи используем закон линейного расширения: |
![\[l_1=l_0\left({\alpha }_l\left(T_1-T_0\right)+1\right)\to l_0=\frac{l_1}{{\alpha }_l\left(T_1-T_0\right)+1}\left(2.1\right),\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f503c7e8fb49ba5e2d177f30cd138b4c_l3.png)
![\[l_2=l_0\left({\alpha }_l\left(T_2-T_0\right)+1\right)\left(2.2\right),\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-4559b3b2406f5629c2daea2c2dd63180_l3.png)
где — длина стержня при его температуре , — длина стержня при его температуре . .
Удлинение стержня можно найти, если из вычесть получим:
Подставим в формулу (2.3) выражение для из (2.1):
![\[\Delta l=\frac{l_1\alpha \left(T_1-T_2\right)}{\alpha \left(T_1-T_0\right)+1}\left(2.4\right)\]](http://ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-20d854795a2836d63ef889b3e9d0333f_l3.png)
Примем во внимание, что величина , зная, что порядок Значит, что формулу (2.4) можно преобразовать к виду:
Коэффициент теплового расширения
Коэффициент теплового расширения — величина, характеризующая относительную величину изменения объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. В соответствии с этим различают:
Содержание
Коэффициент объёмного теплового расширения
\left( \frac<\partial V><\partial T>\right)_p" />
, К −1 (°C −1 ) — относительное изменение объёма тела при нагревании его на
и, для твёрдых тел,
Коэффициент линейного теплового расширения
Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру ΔT:
" />
>" />
— относительное изменение линейного размера тела при нагревании его на dT градусов при постоянном давлении.
В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений: αx, αy, αz. Для изотропных тел V = 3αL;.
Например, вода, в зависимости от температуры, имеет коэффициент объёмного расширения
Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10 −6 K −1 [1] .
Для стали
Таблица коэффициента линейного расширения α,10 −6 /°C [2]
| Марка стали | 20—100 °C | 20—200 °C | 20—300 °C | 20—400 °C | 20—500 °C | 20—600 °C | 20—700 °C | 20—800 °C | 20—900 °C | 20—1000 °C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 08кп | 12,5 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 12,7 | 13,8 |
| 08 | 12,5 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 12,7 | 13,8 |
| 10кп | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 14,8 | 12,6 |
| 10 | 11,6 | 12,6 | - | 13,0 | - | 14,6 | - | - | - | - |
| 15кп | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,5 | 14,8 | 15,1 | 15,3 | 14,1 | 13,2 | 13,3 |
| 15 | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,4 | 14,8 | 15,1 | 15,3 | 14,1 | 13,2 | 13,3 |
| 20кп | 12,3 | 13,1 | 13,8 | 14,3 | 14,8 | 15,1 | 15,2 | - | - | - |
| 20 | 11,1 | 12,1 | 12,7 | 13,4 | 13,9 | 14,5 | 14,8 | - | - | - |
| 25 | 12,2 | 13,0 | 13,7 | 14,4 | 14,7 | 15,0 | 15,2 | 12,7 | 12,4 | 13,4 |
| 30 | 12,1 | 12,9 | 13,6 | 14,2 | 14,7 | 15,0 | 15,2 | - | - | - |
| 35 | 11,1 | 11,9 | 13,0 | 13,4 | 14,0 | 14,4 | 15,0 | - | - | - |
| 40 | 12,4 | 12,6 | 14,5 | 13,3 | 13,9 | 14,6 | 15,3 | - | - | - |
| 45 | 11,9 | 12,7 | 13,4 | 13,7 | 14,3 | 14,9 | 15,2 | - | - | - |
| 50 | 11,2 | 12,0 | 12,9 | 13,3 | 13,7 | 13,9 | 14,5 | 13,4 | - | - |
| 55 | 11,0 | 11,8 | 12,6 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,8 | 12,5 | 13,5 | 14,4 |
| 60 | 11,1 | 11,9 | - | 13,5 | 14,6 | - | - | - | - | - |
| 15К | - | 12,0 | 12,8 | 13,6 | 13,8 | 14,0 | - | - | - | - |
| 20К | - | 12,0 | 12,8 | 13,6 | 13,8 | 14,2 | - | - | - | - |
| 22 | 12,6 | 12,9 | 13,3 | 13,9 | - | - | - | - | - | - |
| А12 | 11,9 | 12,5 | - | 13,6 | 14,2 | - | - | - | - | - |
| 16ГС | 11,1 | 12,1 | 12,9 | 13,5 | 13,9 | 14,1 | - | - | - | - |
| 20Х | 11,3 | 11,6 | 12,5 | 13,2 | 13,7 | - | - | - | - | - |
| 30Х | 12,4 | 13,0 | 13,4 | 13,8 | 14,2 | 14,6 | 14,8 | 12,0 | 12,8 | 13,8 |
| 35Х | 11,3 | 12,0 | 12,9 | 13,7 | 14,2 | 14,6 | - | - | - | - |
| 38ХА | 11,0 | 12,0 | 12,2 | 12,9 | 13,5 | - | - | - | - | - |
| 40Х | 11,8 | 12,2 | 13,2 | 13,7 | 14,1 | 14,6 | 14,8 | 12,0 | - | - |
| 45Х | 12,8 | 13,0 | 13,7 | - | - | - | - | - | - | - |
| 50Х | 12,8 | 13,0 | 13,7 | - | - | - | - | - | - | - |
Измерения коэффициента теплового расширения
Приборы для измерения коэффициента теплового расширения жидкостей, газов и твёрдых тел называют дилатометрами.
Коэффициент теплового расширения — величина, характеризующая относительную величину изменения объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1° К, при постоянном давлении. В соответствии с этим различают:
(>)_p " />
, К -1 — относительное изменение объёма тела при нагревании его на dT градусов при постоянном давлении,
" />
>,K^ " />
— относительное изменение линейного размера тела при нагревании его на dT градусов при постоянном давлении,
В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений: αx, αy, αz. Для изотропных тел αx = αy = αz и αV = 3αL;.
Например, вода имеет коэффициент объёмного расширения около 10 -3 . Для железа коэффициент линейного расширения равен 10 -5
См. также
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Коэффициент линейного расширения" в других словарях:
коэффициент линейного расширения — Отношение изменения длины образца в заданном интервале температуры к этому интервалу температуры по отношению к начальной длине образца. [РД 01.120.00 КТН 228 06] Тематики магистральный нефтепроводный транспорт … Справочник технического переводчика
коэффициент линейного расширения — ilgėjimo koeficientas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. coefficient of linear expansion; linear expansion coefficient vok. linear… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
коэффициент линейного расширения — ilgėjimo koeficientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. coefficient of linear expansion; linear expansion coefficient; linear expansivity vok. linearer Ausdehnungskoeffizient, m; Längenausdehnungskoeffizient, m rus. коэффициент… … Fizikos terminų žodynas
коэффициент линейного расширения — ilgėjimo koeficientas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kietųjų kūnų ilgio padidėjimas temperatūrai pakilus 1 kelvinu. atitikmenys: angl. coefficient of linear expansion; linear expansion coefficient vok. linear Ausdehnungskoeffizient, m… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
средний температурный коэффициент линейного расширения — 3.2 средний температурный коэффициент линейного расширения ,К 1: Средний ТКЛР, измеренный в заданном диапазоне температур. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) — 3.1 температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) aт, К 1: Относительное изменение длины образца при изменении его температуры на один градус. Источник: ГОСТ Р 54253 2010: Материалы углеродные. Метод определения температурного… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
температурный коэффициент линейного расширения — Смотри температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) … Энциклопедический словарь по металлургии
Температурный коэффициент линейного расширения материала, 1/°С — aф Источник: РД 26 15 88: Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Температурный коэффициент линейного расширения, 1/°C — a Источник: РД 24.200.17 90: Сосуды и аппараты из титана. Нормы и методы расчета на прочность … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Коэффициент теплового расширения — Размерность Θ−1 Единицы измерения СИ К−1 … Википедия
Читайте также: