A Literature Review on Economizer Designs and CFD Analysis Methods

Öz

Improving energy efficiency in industrial facilities is essential for both economic sustainability and environmental impact reduction. In this context, economizers play a key role in boiler systems by recovering waste heat from flue gases, thereby reducing fuel consumption, operating costs, and emissions. This review paper examines boiler economizer design principles, heat transfer mechanisms, geometric parameters, and performance enhancement strategies based on existing literature. Fundamental studies published before 2015, along with recent national and international publications from 2020–2025, were systematically reviewed. The analyzed works include experimental investigations, CFD-based numerical studies, and analytical approaches. Particular emphasis is placed on finned tube geometries, flow arrangement modifications, material selection, corrosion and fouling effects, and operating conditions influencing heat transfer, pressure drop, and overall efficiency. The findings indicate that CFD-supported geometric optimization significantly improves economizer performance. This review provides a scientific foundation for future original economizer design and CFD studies.

Anahtar Kelimeler

• Waste Heat Recovery (WHR)
• Computational Fluid Dynamics (CFD)
• Economizer
• Heat Transfer
• Boiler Systems

Etik Beyan

The author declares that this study is a literature review and does not involve any human or animal subjects. Scientific ethical rules, citation standards, and plagiarism policies have been strictly followed during the preparation of this manuscript

Teşekkür

The authors did not receive any financial support for this study.

Ekonomizer Tasarımları ve CFD Analiz Yöntemleri Üzerine Bir Literatür Derlemesi

Öz

Endüstriyel tesislerde enerji verimliliğinin artırılması hem ekonomik sürdürülebilirliğin sağlanması hem de çevresel etkilerin azaltılması açısından günümüzde kritik bir gereklilik haline gelmiştir. Bu bağlamda, atık ısı geri kazanım sistemleri içerisinde yer alan ekonomizerler; özellikle kazan sistemlerinde baca gazlarında bulunan kullanılmamış ısının geri kazanılmasını sağlayarak yakıt tüketimini, işletme maliyetlerini ve zararlı emisyonları azaltan önemli ısı değiştirici ekipmanlardır. Bu derleme makalesinde, kazan ekonomizerlerinin tasarım prensipleri, ısı transfer mekanizmaları, geometrik parametreleri ve performans artırmaya yönelik geliştirilen yöntemler literatür ışığında kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Çalışma kapsamında, 2015 yılı öncesine ait temel çalışmalar ile ağırlıklı olarak 2020–2025 yılları arasında yayımlanmış ulusal ve uluslararası akademik yayınlar taranmıştır. İncelenen literatür; deneysel çalışmalar, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) tabanlı sayısal analizler ve analitik yöntemler kullanılarak gerçekleştirilen araştırmaları kapsamaktadır. Özellikle kanatlı boru geometrileri, akış düzenlemeleri, malzeme seçimi, korozyon ve kirlenme etkileri ile işletme koşullarının ısı transfer katsayısı, basınç kaybı ve genel sistem verimi üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Literatürden elde edilen bulgular, uygun geometrik optimizasyon ve CFD destekli tasarım yaklaşımlarının ekonomizer performansını anlamlı ölçüde artırabildiğini göstermektedir. Bu çalışmanın, ilerleyen aşamalarda gerçekleştirilecek özgün bir ekonomizer tasarımı ve buna yönelik CFD analizleri için bilimsel ve metodolojik bir altyapı oluşturması amaçlanmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Atık Isı Geri Kazanımı
• CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği)
• Ekonomizer
• Isı Transferi
• Kazan Sistemleri

Etik Beyan

Bu çalışma bir literatür derlemesi olup, içeriğinde insan veya hayvan deneklerin kullanıldığı herhangi bir deneysel çalışma yer almamaktadır. Makalenin hazırlanma sürecinde bilimsel etik ilkelere, atıf kurallarına ve yayın etiğine tam uyum sağlanmıştır.

Teşekkür

Yazarlar bu çalışma için herhangi bir finansal destek almamıştır.

Kaynakça

1. [1] Qiao, J., Wang, Q., Na, E., Wen, X., Liang, Z., & Zhang, Y. (2025). Recent progress in waste heat recovery technology for boiler flue gas: A comprehensive review. Thermal Science, 29(6A), 4453–4471. https://doi.org/10.2298/TSCI250703176Q
2. [2] Xu, W., Jin, Y., Zhu, L., & Li, Z. (2021). Performance analysis of the technology of high-temperature boiler feed water to recover the waste heat of mid–low-temperature flue gas. ACS Omega, 6(40), 26318–26328. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c03465
3. [3] Rajesh Babu, C., Kumar, P., Roy, S., & Kanungo, D. (2021). CFD analysis of an economizer for heat transfer enhancement using serrated finned tube equipped with variable fin segments. Materials Today: Proceedings, 45, 1405–1412. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.422
4. [4] Qalbi, C. Q. A. M., & Ahn, J. (2023). Designing a turning guide vane using CFD for an economizer of a non-furnace boiler. Processes, 11(6), 1617. https://doi.org/10.3390/pr11061617
5. [5] Behzadi, A., & Abbasian Arani, A. A. (2025). Modification of the flow pattern in ducts outlet and boiler economizer chamber for optimization of existing high pressure boilers to improve boiler performance. International Journal of Thermofluids, 28, 101310. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2025.101310
6. [6] Liu, X., Yu, J., & Yan, G. (2016). A numerical study on the air-side heat transfer of perforated finned-tube heat exchangers with large fin pitches. International Journal of Heat and Mass Transfer, 100, 199–207. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.04.081
7. [7] Zhang, H., Gong, L., An, X., Ye, X., Wei, G., & Yu, A. (2020). Numerical study on the erosion process of the low temperature economizer using computational fluid dynamics-discrete particle method. Wear, 450–451, 203269. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203269
8. [8] Zhao, W., Chen, L., & Xu, Y. (2025). Numerical analysis of fly ash deposition behavior in economizer tube bundles using coupled CFD–DPM. Powder Technology, 438, 119052. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2025.121241

9. [9] Ye, X. (2024). Gas-particle flow induced erosion of economizer in low-low temperature electrostatic precipitators: Numerical prediction and engineering application. Powder Technology, 439, 119696. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2024.119696
10. [10] Salehipour, D., Jalili, B., & Jalili, P. (2024). Effect of humidification of combustion products in the boiler economizer with spiral geometry. Results in Engineering, 21, 101906. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.101906
11. [11] Miliauskas, G., Puida, E., Poškas, R., Ragaišis, V., Paukštaitis, L., Jouhara, H., & Mingilaitė, L. (2022). Experimental investigations of water droplet transient phase changes in flue gas flow in the range of temperatures characteristic of condensing economizer technologies. Energy, 256, 124643. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124643
12. [12] Zhang, D., Wu, W., Zhao, L., & Dong, H. (2023). Mathematical investigation of heat transfer characteristics and parameter optimization of integral rolled spiral finned tube bundle heat exchangers. Processes, 11(7), 2192. https://doi.org/10.3390/pr11072192
13. [13] Kanthasamy Ganesan, S., Alagesan, S., Shanmugam, P., Murugan, S., & Tufa, M. (2022). Analysis of fin characteristics for overall heat transfer in the boiler economizer. Thermal Science, 26(2A), 849–855. https://doi.org/10.2298/TSCI200730154K
14. [14] Meng, X., Zhang, Y., Li, H., & Chen, J. (2022). Numerical investigation of heat transfer enhancement in spiral finned tube heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 182, 121935. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2025.104176
15. [15] Rayhan, S., Kariya, K., & Miyara, A. (2023). CFD-based performance analysis of zigzag tube heat exchangers for heat transfer enhancement. Thermo, 3(2), 200–215. https://doi.org/10.3390/thermo3020019
16. [16] Zeng, C., Wang, Z., Li, X., & Zhao, Y. (2022). Numerical study on the enhanced heat transfer characteristics of steam generator with axial economizer. Energy Reports, 8, 10254–10267. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107794
17. [17] Kang, S., Seo, J. H., Lim, J. B., & Lee, J. (2025). Effective waste heat recovery of boiler flue gas using a heat pipe heat exchanger: A performance comparison with finned-tube economizer. International Journal of Energy Research, 49(12), 8781–8794. https://doi.org/10.1155/er/8781810
18. [18] Li, K., Meng, Z., Feng, H., Wang, Y., Wang, Q., & Gao, X. (2024). Improvement of heat transfer correlation for fluoroplastic steel heat exchanger and theoretical analysis of application characteristics. Energies, 17(20), 5054. https://doi.org/10.3390/en17205054
19. [19] Wang, Y., Cao, L., Li, X., Wang, J., Hu, P., Li, B., & Li, Y. (2020). A novel thermodynamic method and insight of heat transfer characteristics on economizer for supercritical thermal power plant. Energy, 191, 116573. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116573
20. [20] Ye, Y., Wang, H., & An, X. (2020). An indirect online method for measuring the boiling rate of BFG boiler economizer. Energy Reports, 6(Suppl. 2), 703–709. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.11.141
21. [21] An, N., Zhang, B., Zhu, T., Yu, T., Gao, H., & Yang, D. (2025). Thermal-hydraulic analysis and performance improvement of HP evaporator and HP economizer for a heat recovery steam generator. Applied Thermal Engineering, 279(F), 128044. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128044
22. [22] Subramanian, C. (2020). Deterioration of economizer tube in utility boiler. Applied Thermal Engineering, 170, 114834. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104643
23. [23] Lu, J.-W., Xie, Y., Xie, B., Li, Z., Huang, Z., Zhang, D., & Hai, J. (2023). Buffering effect of the economizer against PCDD/Fs in flue gas from solid waste incineration plants. Waste Management. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.05.029
24. [24] Li, Z., Chen, X., & Wu, J. (2021). Structural and parametric multi-objective optimization of boiler economizers using constructal theory and NSGA-II. Energy, 236, 121296. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120013
25. [25] Nugraha, A. S., Purwanto, H. H., & Bayuseno, A. P. (2020). Performance analysis of economizer for waste heat recovery in boiler system. E3S Web of Conferences, 202, 01004. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202018001004
26. [26] Shi, Y., Wang, N., Cui, F., Wen, J., Jia, J., & Wang, B. (2025). Improving the heat transfer efficiency of economizers: A comprehensive strategy based on machine learning and quantile ideas. Energies, 18(16), 4227. https://doi.org/10.3390/en18164227