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In einem Kernkraftwerk mit einem Druckwasserreaktor ist ein als Druckhalter bezeichneter Druckbehälter vorhanden, der dem primären Reaktorkühlkreislauf den auslegungsgemäßen Betriebsdruck aufprägt und temperaturbedingte Volumenschwankungen ausgleicht. Zur Überdruckabsicherung ist an den Druckhalter üblicherweise eine Abblaseleitung angeschlossen, in die ein Sicherheitsventil geschaltet ist. In der Regel ist das Sicherheitsventil derart konstruiert, dass es bei Überschreiten eines voreingestellten Öffnungsdrucks öffnet und bei Unterschreiten eines Schließdrucks wieder schließt.
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Durch diese Auslegung oszilliert der Druck im primären Reaktorkühlkreislauf bei einem schweren Störfall (engl. Severe Accident) mit massiver Freisetzung von Nachzerfallswärme zwischen dem Öffnungsdruck und dem Schließdruck des Sicherheitsventils. Dabei wird Schritt für Schritt Reaktorkühlmittel aus dem Druckhalter abgeblasen. Der Füllstand vom Reaktorkühlmittel im primären Reaktorkühlkreislauf sinkt somit und es besteht die Gefahr, dass der Reaktorkern trocken fällt. Diese Situation sollte möglichst durch eine rechtzeitige Nachspeisung von Reaktorkühlmittel verhindert werden.
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Der Schließdruck des Sicherheitsventils ist zwar geringer als der Öffnungsdruck, liegt aber normalerweise immer noch deutlich über 100 bar. Bei derart hohem Druck ist eine Nachspeisung von Reaktorkühlmittel in den Reaktorkühlkreislauf mit den bestehenden Notfall-Einspeisesystemen nicht ohne weiteres möglich. Es ist vielmehr erforderlich, den Druck noch weiter abzusenken, bevor Reaktorkühlmittel nachgespeist werden kann (engl. Safety Injection).
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst einfaches, zuverlässiges und kompaktes System anzugeben, das sich einfach in bestehenden und neu konzipierten Anlagen installieren lässt und mit dem die erforderliche Druckabsenkung bis hinab zum Umgebungsdruck (im Containment) bei einem schweren Störfall erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Druckentlastungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Demnach ist ein Druckentlastungssystem für einen Druckbehälter vorgesehen, bei dem
- • der Druckbehälter über eine Abblaseleitung mit einem Sicherheitsventil verbunden ist,
- • die Abblaseleitung eine Leitungsverzweigung aufweist, von der eine Druckentlastungsleitung abzweigt,
- • ein Druckentlastungsventil vorhanden ist, das den Durchfluss von Strömungsmedium durch die Druckentlastungsleitung reguliert,
- • das Druckentlastungsventil einen Ventilblock umfasst,
- • die Leitungsverzweigung innerhalb des Ventilblocks ausgebildet ist, und
- • der Ventilblock einen Teil, insbesondere ein Zwischenstück der Abblaseleitung bildet.
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Bevorzugt kommt ein derartiges Druckentlastungssystem bei einem Kernkraftwerk mit einem Druckwasserreaktor, der einen primären Reaktorkühlkreislauf mit einem Druckhalter aufweist, zur Überdruckabsicherung und zur Druckentlastung des Druckhalters zum Einsatz.
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Eine derartige Anordnung kombiniert den Einbau eines kompakten Druckentlastungsventils für schwere Störfälle mit der Einbaulage als Zwischenstück zwischen Druckhalter und Sicherheitsventil. Die für den gewöhnlichen Anlagenbetrieb und leichte Störfälle erforderlichen Sicherheitsfunktionen sind von denjenigen zur Beherrschung schwerer Störfälle getrennt und funktionell unabhängig. Der Einbau des auch als Severe Accident Ventil bezeichneten Druckentlastungsventils kann bei Nachrüstungen in bestehende Rohrleitungen zwischen Druckhalter und Sicherheitsventil erfolgen, ohne den Abblasequerschnitt, die Einbaulage und die Funktion des Sicherheitsventils zu verändern. Es wird weder ein zusätzlicher Stutzen am Druckhalter benötigt, noch muss in den meisten Fällen die Rohrleitungsführung verändert werden.
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Durch die kompakte Bauweise, die räumliche Anordnung der Leitungsverzweigung innerhalb des Ventilblocks und die dadurch ermöglichte platzsparende Anbindung an den Druckhalter wird die Zugänglichkeit verbessert und die Arbeitsmöglichkeit, etwa bei Überprüfungen erleichtert. Damit wiederum werden die Aufenthaltszeit und die Strahlenexposition des Personals verringert. Das „in line“ installierte Druckentlastungsventil kann sowohl in Neubauprojekten als auch zur Nachrüstung in bestehenden Anlagen eingesetzt werden, ohne das bestehende Design stark zu beeinflussen. Dies ist in allen Anlagen der unterschiedlichen Hersteller möglich.
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Das erfindungsgemäße Druckentlastungsventil weist ferner ein geringes Gewicht auf, ist für kurze Öffnungszeiten von ca. 3 bis 5 Sekunden ausgelegt, hält hohen thermischen Belastungen und Temperaturgradienten stand und stellt geringe Anforderungen an zugeordnete Steuerventile hinsichtlich der für einen Öffnungsvorgang erforderlichen Aktivierungsenergie. Insbesondere bei redundanter Ausführung der in dem Ventilblock angeordneten Stellglieder ist eine zuverlässige Öffnung sowie anschließende Offenhaltung im Anforderungsfall sichergestellt. Im geschlossenen Zustand hingegen ist eine hohe Dichtigkeit im Ventilsitz gewährleistet.
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Diese und weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematischer Darstellung:
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1 einen Ausschnitt aus einem Druckwasserreaktor mit einem Druckhalter des primären Reaktorkühlkreislaufs und einem zugehörigen Druckentlastungssystem,
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2 einen Längsschnitt durch und eine Draufsicht von oben auf eine erste Variante eines zur Verwendung in dem Druckentlastungssystem gemäß 1 vorgesehenen Druckentlastungsventils,
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3 eine zweite Variante eines derartigen Druckentlastungsventils, und
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4 eine dritte Variante des Druckentlastungsventils.
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Gleiche und gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Kernkraftwerk 2 mit einem Druckwasserreaktor. Der Druckhalter 4 ist ein spezieller Druckbehälter im primären Reaktorkühlkreislauf eines Druckwasserreaktors. Seine Hauptaufgabe besteht darin, dem Reaktorkühlkreislauf den auslegungsgemäßen Betriebsdruck aufzuprägen und temperaturbedingte Volumenschwankungen auszugleichen. Wie nahezu jeder Druckbehälter muss auch der Druckhalter 4 gegen unzulässige Überdrücke abgesichert werden. Zu diesem Zweck ist mindestens ein Druckhalter-Sicherheitsventil oder kurz Sicherheitsventil 6 vorgesehen, welches in eine vom Druckhalter 4 zu einem Auffangbehälter / Abblasetank 8 oder alternativ in das Reaktor-Containment führende Abblaseleitung 10 geschaltet ist. Üblicherweise wird das Sicherheitsventil 6 durch mindestens ein auch als Pilotventil bezeichnetes mediengesteuertes Steuerventil 13 in Abhängigkeit vom Druck im Druckhalter 4 betätigt. Bei geöffnetem Sicherheitsventil 6 strömt über die Abblaseleitung 10 unter Druck stehendes Reaktorkühlmittel, kurz Kühlmittel und allgemein Strömungsmedium, aus dem Druckhalter 4 in den Abblasetank 8 ab.
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Das Sicherheitsventil 6 ist primär zur Beherrschung von Überdruckzuständen im Rahmen sogenannter Auslegungsstörfälle vorgesehen. Mit Hilfe eines auf den Steuerraum 12 einwirkenden Steuerventils 13 wird das Sicherheitsventil 6 bei Überschreiten eines Öffnungsdrucks von beispielsweise 160 bar geöffnet und nach erfolgter partieller Druckentlastung bei Unterschreiten eines Schließdrucks von beispielsweise 145 bar wieder geschlossen. Dadurch wird verhindert, dass Kühlmittel über das normalerweise bei derartigen Störfällen notwendige Maß hinaus aus dem Reaktorkühlkreislauf entweicht. Durch diese Auslegung ist das Sicherheitsventil 6 für eine weitergehende Druckentlastung des Druckhalters 4, die im Rahmen von auslegungsüberschreitenden schweren Störfällen (engl. Severe Accidents) wünschenswert sein kann, nicht geeignet. Beispielsweise kann er erforderlich sein, den Druck auf ungefähr 100 bar abzusenken, um eine Notfall-Nachspeisung von flüssigem Kühlmittel in den primären Reaktorkühlkreislauf vornehmen zu können. In anderen auslegungsüberschreitenden Szenarien kann es sogar wünschenswert sein, den (Über-)Druck im Druckhalter 4 gegenüber der Umgebung (im Containment) bis auf 0 bar abzusenken.
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Zu diesem Zweck ist mindestens eine zweite Abblaseleitung, hier als Druckentlastungsleitung 14 bezeichnet, von dem Druckhalter 4 zu einem Auffangbehälter / Abblasetank 16, der mit dem Abblasetank 8 übereinstimmen kann, oder alternativ in das Reaktor-Containment geführt. In die Druckentlastungsleitung 14 ist ein bedarfsweise zu öffnendes Druckentlastungsventil 18 geschaltet, so dass insbesondere bei schweren Störfällen über die Druckentlastungsleitung 14 eine Druckentlastung des Druckhalters 4 bis hinunter auf 0 bar (siehe oben) erfolgen kann. Zweckmäßigerweise wird das Druckentlastungsventil 18 ähnlich wie das Sicherheitsventil 6 im Anforderungsfall medienbasiert über ein zugehöriges Pilotventil oder Steuerventil 21 betätigt. Das mit dem Steuerraum 20 des Druckentlastungsventils 18 wirkverbundene Steuerventil 21 kann beispielsweise motorbetätigt, alternativ auch über andere Mechanismen betätigt sein. Um ein zuverlässiges Öffnen der Druckentlastungsleitung 18 im Bedarfsfall sicherzustellen, kann der Leitungsstrang wie in 1 dargestellt redundant ausgeführt sein, also beispielweise zwei parallel geschaltete, vorzugsweise baugleiche und unabhängig voneinander angesteuerte Druckentlastungsventile 18 in entsprechenden Zweigleitungen umfassen.
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Die (jeweilige) Druckentlastungsleitung 14 kann eingangsseitig an einen separaten Anschlussstutzen 22 des Druckhalters 4, insbesondere an einem Verteiler an dessen Dom, angeschlossen sein. Zweckmäßigerweise jedoch ist die Druckentlastungsleitung 18 über eine Leitungsabzweigung bzw. Leitungsverzweigung 24 an die vom Druckhalter 4 zum Sicherheitsventil 6 führende Abblaseleitung 10 angeschlossen, um die Anzahl der aus dem Druckhalter 4 heraus geführten Anschlüsse / Anschlussstutzen 22 möglichst gering zu halten. Es ergibt sich damit eine T-förmige Leitungstopologie. Konkret können ein oder mehrere T-Stücke in die Abblaseleitung 10 geschaltet bzw. eingesetzt sein, an denen jeweils zu einem Druckentlastungsventil 18 führende Leitungsstücke von der Abblaseleitung 10 abzweigen. Für eine besonders kompakte Ausführung mit kurz gehaltenen Leitungsstücken, die für Beaufschlagung mit Hochdruck auszulegen sind, ist im vorliegenden Fall jedoch die Leitungsverzweigung 24 in den Ventilköper oder Ventilblock 26 des Druckentlastungsventils 18 integriert. Mit anderen Worten bildet bzw. beinhaltet das nach Art eines Zwischenstücks in die Abblaseleitung 10 geschaltete Druckentlastungsventil 18 innerhalb des Ventilblocks 26 selber die – vorteilhafterweise redundant, insbesondere zweisträngig ausgeführte – Leitungsverzweigung 24 zur Druckentlastungsleitung 14. Dies ist in 1 durch den gestrichelten Rahmen um die Ventileinheit und die Leitungsverzweigung(en) abstrakt angedeutet.
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Abweichend von der in 1 gewählten zeichnerischen Darstellung kann der Ventilblock 26 eingangsseitig direkt mit dem Anschlussstutzen 22 des Druckhalters 4 verbunden sein, so dass das entsprechende Verbindungstück der Abblaseleitung 10 entfällt. Entsprechendes gilt für das ausgangsseitige Teilstück der Abblaseleitung 10 zum Sicherheitsventil 6, wenn dieses direkt an das Druckentlastungsventil 18 angeflanscht oder angeschlossen wird. Im Falle mehrerer (redundanter) Teilstränge und Stellglieder innerhalb des Ventilblocks 26 kann die Zusammenführung der Teilstränge zu einem gemeinsamen Leitungsstück der Druckentlastungsleitung 14 wie in 1 angedeutet außerhalb der Ventilblocks 26, alternativ noch innerhalb des Ventilblocks 26 erfolgen. Gegebenenfalls kann sie auch unterbleiben, so dass die verschiedenen Zweige als separate Druckentlastungsleitungen 14 aus dem Ventilblock 26 herausgeführt werden. Auf diese Weise lassen sich entsprechend den bestehenden räumlichen Gegebenheiten, der Anordnung der verschiedenen Komponenten und den diesbezüglichen Verbindungsanforderungen kompakte bis sehr kompakte Ventileinheiten realisieren.
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Eine konkrete gegenständliche Verwirklichung eines für die beschriebene „in-line“ Anordnung besonders geeigneten Druckentlastungsventils 18 ist in 2 in einem Längsschnitt, darunter in Draufsicht dargestellt. Der Ventilblock 26 des Druckentlastungsventils 18 umschließt einen durchgehenden, von der Druckhalter-Anschlussseite 60 zur Sicherheitsventil-Anschlussseite 62 reichenden, an den Anschlussenden offenen und vorzugsweise geradlinigen Haupt-Strömungskanal 28. Bei dem in 1 dargestellten Einsatzzweck bildet der Haupt-Strömungs-kanal 28 ein Teilstück oder Zwischenstück der vom Druckhalter zum Sicherheitsventil 6 führenden Abblaseleitung 10. In paralleler Ausrichtung zu dem Haupt-Strömungskanal 28 ist ein weiterer Strömungskanal 30 in den Ventilblock 26 eingelassen, welcher endseitig geschlossen und durch eine druckdichte Zwischenwand 32 von dem Haupt-Strömungskanal 28 getrennt ist. Ein beispielsweise in der Mitte des Strömungskanals 30 abzweigender und seitlich aus dem Ventilblock 26 herausgeführter Anschlussstutzen / Auslass 34 dient zum Anschluss der in 1 dargestellten Druckentlastungsleitung 14, deren Anfangspunkt dann gewissermaßen durch das Druckentlastungsventil 18 gebildet wird. Zwei in einem Abstand zueinander angeordnete, durch Ventilkegel 36 verschließbare Durchbrechungen der Zwischenwand 32 bilden parallele strömungsmäßige Übertritte bzw. Durchgangsöffnungen 38 vom Haupt-Strömungskanal 28 zum Strömungskanal 30.
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Bei geöffnetem Ventil – genauer: bei mindestens einem in der Öffnungsstellung befindlichen Ventilkegel 36 – kann über die Druckhalter-Anschlussseite 60 in den Haupt-Strömungskanal 28 eintretendes Strömungsmedium durch die Durchgangsöffnung(en) 38 in den Strömungskanal 30 überströmen und über den Auslass 34 in die stromabwärtige Druckentlastungsleitung 14 weiterströmen. Sofern das stromabwärts in der Abblaseleitung 10 angeordnete Sicherheitsventil 6 geschlossen ist, strömt das unter Druck stehende Strömungsmedium daher über die innerhalb des Ventilblocks 26 ausgebildete Leitungsverzweigung 24 durch die Druckentlastungsleitung 14 ab. Durch die strömungsmäßige Parallelanordnung der beiden Durchgangsöffnungen 38 ist eine Redundanz der Überströmwege gewährleistet, so dass die gewünschte Druckentlastung auch dann erfolgt, wenn nur einer der beiden Ventilkegel 36 öffnen sollte. Wenn sich hingegen beide Ventilkegel 36 in der Schließstellung befinden, ist die Leitungsverzweigung geschlossen.
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Das den Druckhalter 4 verlassende Strömungsmedium strömt dann bei geöffnetem Sicherheitsventil 6 ausschließlich über die Abblaseleitung 10 ab (siehe auch 1). Sind Sicherheitsventil 6 und mindestens einer der Ventilkegel 36 gleichzeitig geöffnet, dann fließt Medium vom Druckhalter 4 sowohl über das Sicherheitsventil 6 in den Abblasebehälter 8 als auch über den Durchlass 38 und den Strömungskanal 30, Auslass 34 und Druckentlastungsleitung 14 in den Abblasetank 16.
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Bevorzugt weist jedes der beiden Stellglieder / Einzelventile innerhalb des Druckentlastungsventils 18 einen über einen Kolbenstange 40 mit einem Kolben 42 verbundenen Ventilkegel 36 auf. Die Ventilachse 44 entlang derer die aus Ventilkegel 36, Kolben 42 und Kolbenstange 40 gebildete Ventileinheit linear beweglich ist, ist senkrecht zur Achse 46 des Haupt-Strömungskanals 28 ausgerichtet. Dem zwiebelförmigen Ventilkegel 36 ist ein durch die Berandung der Durchgangsöffnung 38 in der Zwischenwand 32 gebildeter Ventilsitz 48 zugeordnet. Die Kolbenstange 40 durchgreift den Haupt-Strömungskanal 28 in einer Weise, die die Strömung des Strömungsmediums möglichst wenig beeinträchtigt. Dem Ventilsitz 48 gegenüberliegend auf der anderen Seite des Haupt-Strömungskanals 28 ist ein Zylinder 50 in dem Ventilblock 26 ausgebildet, in welchem der Kolben 42 – gegenüber der Zylinderwand abgedichtet – gleitend gelagert ist. Die beiden durch den Kolben 42 voneinander getrennten Steuerräume 52, 54 des Zylinders 50 lassen sich über zugeordnete Steuerleitungen (hier nicht sichtbar) mit einem Steuermedium beaufschlagen oder entleeren / entlasten, so dass der Ventilkegel 36 von der Schließstellung in die Öffnungsstellung überführbar ist und umgekehrt. Diese Vorgänge werden, wie in 1 angedeutet, bevorzugt durch mindestens ein zugehöriges Steuerventil 21 gesteuert.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist das jeweilige Stellglied „auf dem Kopf stehend“ im Ventilblock 26 eingebaut. Das heißt, bei der vorgesehenen Montage- oder Einbaulage des Druckentlastungsventils 18 ist die jeweilige Ventilachse 44 vertikal ausgerichtet, wobei sich der Ventilkegel 36 oben befindet und der Kolben 42 unten. Im Normalbetrieb des zugeordneten Kühlkreislaufes wird das jeweilige Stellglied durch Beaufschlagung des unteren Steuerraumes 54 im Zylinder 50 mit einem unter Druck stehenden Steuermedium geschlossen gehalten. Bevorzugt dient das im Druckhalter 4 befindliche Strömungsmedium selber als Steuermedium. Die Schließwirkung wird dabei durch das im Haupt-Strömungskanal 28 befindliche und von unten auf den Ventilkegel 36 drückende Strömungsmedium unterstützt und verstärkt. Durch Druckbeaufschlagung des oberen Steuerraumes 52 und durch Entlastung des unteren Steuerraumes 54 wird das Ventil geöffnet, also der Ventilkegel 36 aus seiner oberen Schließstellung nach unten die Öffnungsstellung abgesenkt. Einmal geöffnet, wird dieser Zustand durch das Eigengewicht der Ventileinheit zuverlässig so lange aufrechterhalten, bis über eine entsprechende Beaufschlagung der Steuerräume 52, 54 ein erneuter Schließimpuls ausgeübt wird.
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Weitere mögliche Bauformen des Druckentlastungsventils 18 sind in 3 und 4 dargestellt. Sie unterscheiden sich von der in 2 dargestellten Variante durch die Lage und Ausrichtung des den Auslass 34 und den Übergang zur Druckentlastungsleitung 14 bildenden Anschlussstutzens. Während dieser Auslass 34 in 2 senkrecht zur Achse 46 des Haupt-Strömungskanals 28 und zur jeweiligen Ventilachse 44 seitlich nach außen gerichtet ist, ist er in 3 senkrecht zur Achse 46 des Haupt-Strömungskanals 28 aber parallel zur Ventilachse 44 nach oben gerichtet. In 4 hingegen ist er stirnseitig im Ventilblock 26 angeordnet, hier beispielsweise auf der Sicherheitsventil-Anschlussseite 62. Durch die verschiedenen Varianten kann eine einfache und platzsparende Anbindung an vorhandene räumliche Gegebenheiten erfolgen.
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Zusammengefasst kombiniert das Druckentlastungsventil 18 die Funktion eines kompakten Severe-Accident-Ventils mit der Einbaulage als Zwischenstück zwischen Druckhalter 4 und Sicherheitsventil 6 bei bestehenden Absicherungssystemen für den primären Kühlkreislauf eines Druckwasserreaktors. Für die Anbringung an bereits bestehenden Anlagen kann die vorhandene Rohrstruktur verwendet werden. Auch bei vorhandenen Anlagen, bei welchen die Kuppel / der Dom des Druckhalters 4 als Verteilerrohr ausgebildet ist, an welchem bislang die Sicherheitsventile 6 direkt angeflanscht wurden, kann das Druckentlastungsventil 18 als ein Verbindungsstück zwischen dem Druckhalter 4 und dem Sicherheitsventil 6 angebracht werden. Andere Anwendungen, bei denen die Funktion einer Leitungsverzweigung mit integriertem Überdruckventil für die abzweigende Leitung in einer kompakten Weise als Zwischenstück in einer bestehenden Durchgangsleitung verwirklicht werden soll (Anordnung „in-line“), sind selbstverständlich ebenfalls möglich.
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Die beschriebene Tandem- oder Twin-Anordnung zweier paralleler Überströmwege mit zugeordneten, unabhängig voneinander bewegbaren Stellgliedern zum Öffnen und Verschließen ist zwar zur Minimierung der Gesamt-Versagenswahrscheinlichkeit beim Öffnen besonders vorteilhaft, aber nicht für alle Anwendungen zwingend notwendig. Es lassen sich vielmehr auch Varianten mit nur einer einzigen Abzweigung vom Haupt-Strömungskanal und dementsprechend nur einem einzigen Stellglied im Ventilblock verwirklichen. Bei redundanter Ausführung mit zwei oder mehr Einzelventilen / Stellgliedern innerhalb des Ventilblocks ist eine baugleiche Ausführung in vielen Fällen vorteilhaft, aber nicht unter allen Umständen zwingend.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kernkraftwerk
- 4
- Druckbehälter (Druckhalter)
- 6
- Sicherheitsventil
- 8
- Abblasetank
- 10
- Abblaseleitung
- 12
- Steuerraum
- 13
- Steuerventil
- 14
- Druckentlastungsleitung
- 16
- Abblasetank
- 18
- Druckentlastungsventil
- 20
- Steuerraum
- 21
- Steuerventil
- 22
- Anschlussstutzen
- 24
- Leitungsverzweigung
- 26
- Ventilblock
- 28
- Haupt-Strömungskanal
- 30
- Strömungskanal
- 32
- Zwischenwand
- 34
- Auslass
- 36
- Ventilkegel
- 38
- Durchgangsöffnung
- 40
- Kolbenstange
- 42
- Kolben
- 44
- Ventilachse
- 46
- Achse
- 48
- Ventilsitz
- 50
- Zylinder
- 52
- oberer Steuerraum
- 54
- unter Steuerraum
- 60
- Druckhalter-Anschlussseite
- 62
- Sicherheitsventil-Anschlussseite
