In order to reduce the amount of CO₂ emissions associated with industrial boiling, the design of a new solar boiler operating with concentrated solar energy has been proposed and studied in the present work. A lab-scale solar boiler was built to show the feasibility of the concept through experiments, and a thermal model was then developed to study the efficiency of the solar boiler under different boiling conditions. Several peculiarities distinguish this new design from conventional boilers: (i) the use of vertical heating downwards from a receiver placed on top of the boiler, (ii) the conical shape of the receiver oriented upside down and submerged in the liquid, (iii) the solar receiver has a conical cavity on top where vertical solar flux is received, and its lower surface is submerged in boiling fluid, (iv) the direct use of solar energy with optical concentrating facilities for boiling without intermediate heat transfer fluids, and (v) the study of the unconventional film-boiling regime at elevated receiver temperatures which spaces the boiling fluid from the surface of the receiver. The model was validated by the data collected and showed good consistency between predictions and experimental results, with an average error of 3.79% for temperatures and 2.08% for vapor mass flow rate. For the chosen operating conditions studied, the thermal efficiency of the solar boiler varied from 80% to 90%. Such a thermal model can play an important role for the study and design of new thermal processes involving concentrated solar heating for boiling such as desalination.

为了减少 CO ₂的量与工业沸腾相关的排放，在目前的工作中已经提出并研究了一种使用集中太阳能运行的新型太阳能锅炉的设计。实验室规模的太阳能锅炉通过实验展示了该概念的可行性，然后开发了一个热模型来研究太阳能锅炉在不同沸腾条件下的效率。这种新设计与传统锅炉的区别有几个特点：(i) 使用从放置在锅炉顶部的接收器向下垂直加热，(ii) 接收器的锥形形状倒置并浸没在液体中，(iii)太阳能接收器顶部有一个锥形腔，用于接收垂直的太阳能通量，其下表面浸没在沸腾的流体中，(iv) 直接利用太阳能和光学聚光设备在没有中间传热流体的情况下进行沸腾，以及 (v) 在升高的接收器温度下研究非常规薄膜沸腾机制，将沸腾流体与接收器表面隔开。该模型通过收集的数据进行验证，并显示预测和实验结果之间具有良好的一致性，温度的平均误差为 3.79%，蒸汽质量流量的平均误差为 2.08%。对于所研究的选定操作条件，太阳能锅炉的热效率从 80% 到 90% 不等。这样的热模型可以在研究和设计新的热过程中发挥重要作用，这些热过程涉及用于沸腾的集中太阳能加热，例如海水淡化。(v) 在升高的接收器温度下对非常规薄膜沸腾状态的研究，将沸腾流体与接收器表面隔开。该模型通过收集的数据进行验证，并显示预测和实验结果之间具有良好的一致性，温度的平均误差为 3.79%，蒸汽质量流量的平均误差为 2.08%。对于所研究的选定操作条件，太阳能锅炉的热效率从 80% 到 90% 不等。这样的热模型可以在研究和设计新的热过程中发挥重要作用，这些热过程涉及用于沸腾的集中太阳能加热，例如海水淡化。(v) 在升高的接收器温度下对非常规薄膜沸腾状态的研究，将沸腾流体与接收器表面隔开。该模型通过收集的数据进行验证，并显示预测和实验结果之间具有良好的一致性，温度的平均误差为 3.79%，蒸汽质量流量的平均误差为 2.08%。对于所研究的选定操作条件，太阳能锅炉的热效率从 80% 到 90% 不等。这样的热模型可以在研究和设计新的热过程中发挥重要作用，这些热过程涉及用于沸腾的集中太阳能加热，例如海水淡化。该模型通过收集的数据进行验证，并显示预测和实验结果之间具有良好的一致性，温度的平均误差为 3.79%，蒸汽质量流量的平均误差为 2.08%。对于所研究的选定操作条件，太阳能锅炉的热效率从 80% 到 90% 不等。这样的热模型可以在研究和设计新的热过程中发挥重要作用，这些热过程涉及用于沸腾的集中太阳能加热，例如海水淡化。该模型通过收集的数据进行验证，并显示预测和实验结果之间具有良好的一致性，温度的平均误差为 3.79%，蒸汽质量流量的平均误差为 2.08%。对于所研究的选定操作条件，太阳能锅炉的热效率从 80% 到 90% 不等。这样的热模型可以在研究和设计新的热过程中发挥重要作用，这些热过程涉及用于沸腾的集中太阳能加热，例如海水淡化。