Construction of a Heat Transfer Rig based on Energy Balance for Rapid Production of Correlations for Additively Manufactured Geometries

This thesis has set the first milestones towards building a Nusselt number correlation that adapts to the current state of art designing and manufacturing processes at Siemens Industrial Turbomachinery AB, focusing on cooling mini-channels produced with Additive Manufacturing. Additive manufacturing (AM), also known as 3D printing, is a gamechanger technology that has revolutionised manufacture and design know-how, bringing down production cost, time and waste. There are techniques within AM that can be applied in the gas turbine industry. Particularly, Selective Laser Melting (SLM) can be utilised to build high-temperature-alloy components without the design constraints imposed by conventional manufacturing. However, when assessing the performance of these AM components, challenges arise due to surface roughness inherent to the SLM process. The goal is to assess SLM parts for a specific application: thermal performance of AM cooling minichannels. This thesis presents the design, construction and validation of a heat transfer experimental rig, capable of assessing the Nusselt number in SLM single mini-channel samples. The SLM samples vary in the material alloy used for its fabrication, the shape of the mini-channel, and hydraulic diameter. The results show that SLM channels have a higher Nusselt number than smooth, conventionally manufactured channels. This heat transfer enhancement comes at a cost: an increased friction factor coefficient, which was the subject of study in a parallel thesis conducted in the same facilities. The relative friction growth of an SLM sample is significantly higher than the increase in relative Nusselt number for the same SLM when compared to the smooth channel performance. These results are aligned with the expectations, matching the general trends observed in the literature. However, some contradictions with other studies were obtained: surface roughness, the key factor affecting flow performance, yielded inconclusive effects for the results obtained in the present thesis. Further assessment and validation of the heat transfer rig built is to be pursued.Denna studie är det första steget mot att bygga en test rigg för att ta fram Nusselt-korrelationer av additivt tillverkade minikaaler. Vid Siemens Industrial Turbomachinery AB anses dessa har stor potential i kylapplikationer. Additiv Tillverkning (AM) även känd som 3D-printing, är en ”gamechanger” som har revolutionerat tillverkning och design men som även har potential att minska produktionskostnader, tid och avfall. Det finns tekniker inom AM som kan tillämpas i gasturbnindustrin. Exempelvis kan Selective Laser Melting (SLM) avändas för att bygga högtemperaturkomponenter utan de konstruktionsbegränsningar som finns inom konventionell tillverkning. När man bedömer prestandan för dessa AM-komponenter uppstår emellertid utmaningar på grund av ytråheten som är ett resultat av SLM-processen. Målet för detta examensarbete var att utvärdera SLM geometrier för en specifik applikation: termisk prestanda hos AM-kylkanaler. Denna studie presenterar konstruktion och validering av en experimentell rigg för värme¨verföring som levererar Nusselt-tal för SLM tillverkade minikanaler. Tesobjekten är tillverkade i olika material och med varierande geometri. Resultaten visar att SLMkanalerna har högre värmeöverföring än släta, konvetionellt tillverkade kanaler. Denna värmeöverföringsförbättring ackompanjeras dock av en höjning av tryckförluster vilket visades i en tidigare studie vid Siemens Industrial Turbomachinery AB. Resultaten visar att den relativa friktionstillväxten för ett SLM-prov är signifikant högre än ökningen av det relativa Nusselt-talet jämfört med en ”smooth” kanal. Dessa resultat är i linje med förväntingarna och andra publicerade studier i området. Däremot hade ytråheten en överraskade liten effekt på värmeöverföringen i denna undersökning vilket innebär att ytterligare utvärdering och validering av den byggda värmeöverföringsriggen kommer att genomföras