Este documento describe un sistema para fabricar hielo utilizando energía solar. Funciona mediante un ciclo de absorción de amonio que genera hielo durante la noche al evaporar el amonio y absorber calor del agua circundante. Consiste en un generador solar, una bobina condensadora y un tanque evaporador. Opera en un ciclo diario para generar amonio destilado durante el día y reabsorberlo durante la noche para fabricar hielo de manera gratuita y sustentable.

1. Equipo solar
Para fabricar hielo
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Dispensador de hielo por absorción solar de amonio

2. EQUIPO SOLAR PARA FABRICAR HIELO
En todas partes del mundo la refrigeración es de lo que más energía consume.
En las áreas pobres fuera de la red eléctrica, la refrigeración es una necesidad
de una importancia crítica. Ambas consideraciones nos indican que la
refrigeración debe orientarse hacia el uso de las energías renovables, como
parte de un modo de vida sustentable.
La refrigeración con energía solar es una posibilidad real.
En conjunto con la fundación S.T.E.V.E.N. (Solar Technology and Energy for
Vital Economic Needs) se ha desarrollado un sistema para la fabricación de
hielo utilizando amonio como refrigerante. Un prototipo de este sistema se
encuentra actualmente operando en el SIFAT (Servants in Faith and
Technology) un centro de entrenamiento y liderazgo tecnológico en Lineville,
Alabama. Un dispensador de hielo como este podría ser usado para refrigerar
vacunas, carne, lácteos, o vegetales. Esperamos que este sistema de
refrigeración sea una forma eficiente de acuerdo a su costo para abordar la
necesidad global de refrigeración. Este fabricador de hielos usa energía solar
gratuita, unas cuantas partes móviles y lo mejor: no usa baterías.
Tipos de Refrigeración
La refrigeración puede parecer complicada, pero puede reducirse a una
simple estrategia: De alguna manera, un refrigerante, un material que se
evapora y hierve a una baja temperatura, debe llevarse a su estado líquido
puro. Entonces, digamos que se necesita frío (la termodinámica diría que
necesitas absorber calor). Dejando que el refrigerante se evapore se absorbe
calor, de igual modo que al evaporarse el sudor absorbe el calor corporal en
un día caluroso de verano.
Ya que los refrigerantes hierven a bajas temperaturas, continúan
evaporándose – por lo tanto refrigerando- incluso cuando la leche o vacunas
o lo que sea que refrigeren ya ha sido enfriado. Es tan simple como eso, lo
demás son sólo detalles.

3. EQUIPO SOLAR PARA FABRICAR HIELO
Uno de estos detalles es como el líquido refrigerante se produce. Los
refrigeradores mecánicos, como los típicos refrigeradores eléctricos de cocina,
utilizan un compresor para forzar al refrigerante de freon a convertirse a un
estado líquido.
Los refrigeradores de calor, como los que operan con propano o nuestro
dispensador de hielo, hierven el refrigerante fuera de un material absorbente y
condensan el gas refrigerante en un líquido. Esto se llama generación, y es
muy similar a la manera que el alcohol de granos es purificado mediante la
destilación. Después del proceso de generación, el refrigerante líquido se
evapora mientras es re absorbido por un material absorbente. Los materiales
absorbentes tienen una atracción química muy fuerte hacia el refrigerante.
Este proceso puede ser más claro utilizando una analogía: es como exprimir
una esponja (material absorbente) empapado con un refrigerante. En vez de
exprimir la esponja como tal, se utiliza calor. Después cuando la esponja se
seca y se vuelve “sedienta de nuevo”, esta reabsorbe el refrigerante en forma
de gas. Mientras es absorbido, el refrigerante se evapora y absorbe calor, y es
asó como tenemos la refrigeración.
En un refrigerador de absorción de amonio, el amonio es el refrigerante. Los
refrigeradores de amonio de ciclo continuo, como los refrigeradores comerciales
operados con propano, generalmente utilizan agua como el absorbente, lo cual
provee una acción enfriante continua.

4. EQUIPO SOLAR PARA FABRICAR HIELO
El dispensador de hielo S.T.E.V.E.N.
Llamamos a este diseño como un dispensador o fábrica de hielo. No es un
refrigerador como tal porque la refrigeración ocurre en ciclos intermitentes, lo
cual se adapta al ciclo de energía solar disponible del día a la noche. Los
sistemas de absorción intermitente pueden usar alguna sal en vez de agua
como el material absorbente. Esto tiene varias ventajas ya que la sal no se
evapora con el agua durante el calentamiento, lo cual es un problema cuando
se usa agua como el absorbente.
Nuestro dispensador solar de hielo de absorción intermitente utiliza sal de
cloruro de calcio como absorbente y amonio puro como el refrigerante. Estos
materiales son relativamente fáciles de obtener. El amonio se puede conseguir
sobre pedido con los proveedores de gas, y el cloruro de calcio se puede
conseguir en el invierno ya que se usa para derretir la sal.
La construcción del dispensador de hielos puede dividirse en tres partes: un
generador para calentar la mezcla de sal y amonio, una bobina condensador, y
un evaporador. El amonio fluye de ida y vuelta entre el evaporador y el
generador.
El generador es un tubo de acero no galvanizado de tres pulgadas posicionado
en el foco de un colector parabólico. El generador está orientado hacia el este-
oeste, para que el seguimiento del colector sea solo estacional. Durante la
construcción, el cloruro de calcio se coloca en el generador, el cual después se
cierra, al amonio puro (anhídrido) obtenida de un tanque presurizado, se le
permite evaporarse a través de una válvula hacia el generador y es absorbido
por las moléculas de sal, formando una solución de cloruro de calcio y amonio
(CaCl2-8NH3).

5. EQUIPO SOLAR PARA FABRICAR HIELO
Detalles de la tina de condensación, que contiene la bobina, y debajo la caja dispensadora
El generador se conecta al condensador hecho de un tubo no galvanizado de 21
pies de largo y un cuarto de pulgada de grosor. La bobina se sumerge en agua
para enfriarla. El tubo condensador baja al tanque de evaporación y
recolección, situado en una caja aislada donde el hielo se produce.
Alrededor de 4.5 kilos de hielo generado en un ciclo de evaporación/condensación de amonio

6. EQUIPO SOLAR PARA FABRICAR HIELO
Operación
El dispensador de hielo opera en un ciclo de día y noche, generado amonio
destilado durante el día, y reabsorbiéndolo durante la noche.
El amonio hierve hacia afuera del generador como un gas con 200 psi de presión.
El gas se condensa en la bobina y se escurre hacia el tanque de almacenaje
donde, idealmente, tres cuartas parte del amonio absorbido se recupera para
el final del día (a 250 grados Farenheit, seis de las ocho moléculas de amonio
se unen a cada molécula de sal disponible).
Cuando el generador se enfría, el ciclo de la noche comienza, El cloruro de calcio
reabsorbe el gas de amonio, jalándolo de regreso a través de la bobina de
condensación mientras se evapora hacia afuera del tanque en la caja aislante.
La evaporación del amonio remueve grandes cantidades de calor del tanque
colector y del agua a su alrededor.
La cantidad de calor que se absorbe depende del calor de la vaporización, la
cantidad de energía requerida para evaporar una cierta cantidad de refrigerante.
Pocos materiales se acercan al calor de vaporización del agua, Los humanos
tenemos suerte de tener el agua como nuestro refrigerante en el sudor.
El amonio se acerca al calor de vaporización del agua en 3/5 partes.
Durante el ciclo nocturno, todo el amonio líquido se evapora del tanque, El agua,
en bolsas alrededor del tanque, se convierte en hielo. Por la mañana el hielo se
remueve y es remplazado con nueva agua para el siguiente ciclo. La cosecha
de hielo y el remplazo del agua son las únicas tareas del operador. El hielo puede
venderse como un producto comercial, o utilizado en una hielera o refrigerador
de caja antiguo.
Bajo una buena cantidad de sol, se recolecta suficiente energía para completar
el ciclo de generación en mucho menos de un día, sólo tres horas. Esto permite
al dispensador de hielo trabajar parcialmente en los días nublados.
Cuando la generación ha terminado, el colector puede ser cubierto del sol. El
generador se enfriará lo suficiente para inducir el ciclo nocturno y empezar el
proceso de fabricación de hielo durante el día.

7. EQUIPO SOLAR PARA FABRICAR HIELO
Dispensador de Hielo Solar: Materiales y Costos
Precios en dólares americanos.
Cantidad Material Costo
4 Hojas de metal galvanizado
26 ga
$100
1 21 pies de tubo de hierro
negro de 3”
$75
120 Pies cuadr.de plástico tipo
espejo
$60
2 Válvulas de acero inoxidable
de ¼”
$50
Tanque de evaporación con
salida de 4”
$40
Caja de refrigeración $40
1 Hoja de madera de ¾” de
grosor
$20
6 2x4s de 10 pies de largo $20
Tubo de plomería de ¼” $20
2 Tapas de 3” $15
1 21 pies de tubo de hierro
negro de ¼”
$15
4 Soportes de 1.5” por 78” $15
Herramientas varias $15
10 Libras de amonio $15
15 Libras de cloruro de calcio $10
Total $510
Diseño Futuro
Un refrigerador, capaz de absorber calor en cualquier momento de su contenido,
es mucho más conveniente que nuestro dispensador intermitente. Para permitir
la operación constante, un diseño futuro deberá incluir varios tubos para que la
generación sea escalonada, así como una reserva para el amonio destilado. La
operación escalonada permitirá al refrigerador siempre tener uno o más
generadores “sedientos” y listos para absorber amonio, incluso durante el día
cuando la generación está ocurriendo simultáneamente. La generación
constantemente repondrá la demanda de amonio en el almacén de reserva.
Actualmente estamos en las primeras etapas para hacer estas modificaciones al
dispensador de hielo solar.

8. EQUIPO SOLAR PARA FABRICAR HIELO
Precaución: La Seguridad Primero
Trabajar con amonio puro puede ser peligroso si no se toman las medidas de
seguridad adecuadas. El amonio puro es venenoso si se inhala en altas
concentraciones, causando ardor en los ojos, nariz y garganta, ceguera y peores
efectos. Ya que el agua se combina rápidamente con el amonio, una fuente de
agua (manguera o cubeta) debe estar siempre cerca por si ocurre alguna fuga
mayor. Esta unidad es sólo un prototipo, por lo que no debe colocarse dentro
de una vivienda o donde no se tengan las condiciones de seguridad adecuadas.
A diferencia de otros gases el amonio tiene la ventaja de
ser fácilmente detectable por su fuerte olor.
Los materiales en contacto con el amonio deben ser resistentes a la corrosión, a
fin de hacer el dispensador más durable. Esta unidad se debe construir con tubos
de acero no galvanizado y válvulas de acero inoxidable, ya que estos dos metales
no se corroen con el amonio. Adicionalmente, durante la operación, la presión
del sistema puede incrementar a 200psi. Toda la tubería debe ser
capaz de soportar estas presiones sin fugas o rupturas.
Se les recomienda a los constructores de los dispensadores de hielo solares
que busquen asistencia técnica cuando experimenten con sistemas de
absorción de amonio.
Conclusión
El dispensador de hielo S.T.E.V.E.N. tiene sus ventajas y sus
desventajas. Como desventaja, es algo voluminoso y no es portátil, y
requiere algunas partes de plomería especializada.
Requiere un gas venenoso, aunque no es dañino para el ambiente en
bajas concentraciones, por lo tanto se deben tomar precauciones. A su
favor, tiene muy pocas partes móviles y es muy fácil de operar.
Aprovecha del ciclo de día y noche de la energía solar y elimina la
necesidad de baterías, almacenando el frio solar en forma de hielo.