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1、湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉主 講：譚 志 偉 二零一六年秋 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉1概述 換熱裝置是以傳遞熱量為主要功能的通用機(jī)械,通常稱為熱交換器,簡(jiǎn)稱換熱器。換熱器在化工、石油、制冷、動(dòng)力、食品等部門中均有廣泛的應(yīng)用。它們的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)過(guò)程起著十分關(guān)鍵的作用。在化工廠的建設(shè)中,換熱器約占工程總投資的11%;通常,換熱器約占煉油及化工裝置設(shè)備總投資的40%。因此,換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理研究,在節(jié)省投資、降低能耗等方面將發(fā)揮日益重要的作用。(1)換熱裝置的分類 根據(jù)換熱的目的和工藝要求不同,換熱器的結(jié)構(gòu)型式必然是五花八門,其分類也是多種
2、多樣。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 按冷熱物料接觸方式可分為: 直接接觸式、蓄熱式和間壁式。 按換熱器的使用功能又可分為: 加熱器、冷卻器、再沸器、冷凝器、蒸發(fā)器、空冷器、涼水塔、廢熱鍋爐等。 按換熱器換熱面緊湊程度又可分為: 緊湊式換熱器(換熱面積密度700m2/m3)和非緊湊式換熱器(換熱面積密度1.0 0.81.8 0.51.5 530殼程流速/(m/s) 0.51.5 0.51.5 0.21.5 0.5 0.41.0 0.30.8 215表3-4列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮?dú)錃獍踩魉?(m/s) 1 23
3、4管程,=0.60.8。正方形排列:2管程,=0.550.7;4管程,=0.450.65。殼體內(nèi)徑D的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉(2)殼程折流擋板與分程隔板 列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通截面積大,當(dāng)殼程流體符合對(duì)流傳熱條件時(shí),為增大殼程流體的流速,加強(qiáng)其湍動(dòng)程度,提高殼程給熱系數(shù),需設(shè)置橫向折流擋板和縱向分程隔板。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉圖3-9常用折流板型式 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 殼程折流擋板折流擋板一般橫向設(shè)置,故又稱為橫向折流擋板。橫向折流擋板同時(shí)兼有支承傳熱管、抑制管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。 橫
4、向折流擋板的型式有圓缺型(也稱弓型)、環(huán)盤型和孔流型等多種型式(見(jiàn)圖3-9)。a.圓缺型折流擋板又稱弓型折流板,應(yīng)用最多。折流板缺口位置有水平切口、垂直切口和轉(zhuǎn)角切口。水平切口宜用于單相流體。在殼程進(jìn)行冷凝時(shí),采用垂直切口,有利于冷凝液的排放。對(duì)正方形排列的管束,采用與水平成45的傾斜切口折流板,可使流體流過(guò)管束成錯(cuò)列流動(dòng),有利于傳熱。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉如殼程允許壓降小時(shí),可采用雙缺口折流板。如要求壓降特別低時(shí),還可采用三缺口折流板和缺口不布置管子的型式。缺口的大小用切除高度與殼體內(nèi)徑的比值來(lái)表示,一般為20%25%。對(duì)于低壓氣體系統(tǒng),為減少壓降,缺口大小可達(dá)40%45
5、%。折流板之間的間距比較理想的是使缺口的流通截面積和通過(guò)管束的錯(cuò)流流動(dòng)截面積大致相等,這樣可以減小壓降,并有利于傳熱。一般,折流板間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)徑的1/5或50mm。由于折流板有支撐管子的作用,折流板間的最大間距,對(duì)于鋼管為171d0.74(d為管子外徑,單位為mm);對(duì)于銅、鋁及其合金管子為150d0.74。折流板上管孔與管子之間的間隙及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)合乎要求。間隙過(guò)大,泄漏嚴(yán)重,對(duì)傳熱不利,還易引起振動(dòng)。間隙過(guò)小,安裝困難。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉b.環(huán)盤型折流板環(huán)盤型折流板壓降較小,但傳熱效果也差些,應(yīng)用較少。c.孔流型折流板流體穿過(guò)折流板孔和管子之間
6、的縫隙流動(dòng),壓降大,僅適用于清潔流體,其應(yīng)用更少。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 殼程分程隔板分程隔板一般縱向設(shè)置,故又稱為縱向分程隔板。分程隔板主要用于管程與殼程的分程,從而實(shí)現(xiàn)多管程和多殼程結(jié)構(gòu)。用于管程分程的隔板一般設(shè)置在換熱管束的前端管箱和后端結(jié)構(gòu)之中,將單管程結(jié)構(gòu)變成多管程結(jié)構(gòu)(見(jiàn)管程結(jié)構(gòu)及表3-7和圖3-8)。用于殼程分程的隔板尚需分隔前端管箱、換熱管束和后端結(jié)構(gòu),從而將單殼程結(jié)構(gòu)變成多殼程結(jié)構(gòu)。單殼程的換熱器僅需設(shè)置橫向折流擋板,多殼程換熱器不但需要設(shè)置橫向折流擋板,而且還需要設(shè)置縱向折流隔板將換熱器分為多殼程結(jié)構(gòu)。對(duì)于多殼程換熱器,設(shè)置縱向折流隔板的目的不僅在于提高
7、殼程流體的流速,而且是為了實(shí)現(xiàn)多殼程結(jié)構(gòu),減小多管程結(jié)構(gòu)造成的溫差損失。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,如果沒(méi)有特別的要求,出于設(shè)計(jì)、制造、安裝、清洗和檢修的方便,對(duì)于多殼程換熱器,通常情況下不是采用單殼程換熱器隔板分程的方式,而是多臺(tái)單殼程換熱器的組合。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉(3)其他主要部件 緩沖板與導(dǎo)流筒在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板,或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng),還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒,不僅起防沖板的作用,還可改善兩端流體的分布,提高傳熱效率。 圖3-10所示為兩種進(jìn)口接管和防沖板的布置。圖3-10(a)是普通
8、接管,進(jìn)口處抽出一些管子,以減少局部阻力,致使傳熱面積略有減少。圖3-10(b)是一擴(kuò)大型接管,防沖板放在擴(kuò)大部分,不影響管數(shù)。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉圖3-10進(jìn)口接管及防沖板布置 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉圖3-11導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)示意圖 圖3-11為兩種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流筒,圖3-11(a)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,但要抽出一部分管子,圖3-11(b)是在殼體外焊有一段環(huán)狀?yuàn)A套,在原殼體壁面上沿圓周開有方形或長(zhǎng)方形孔,孔的總面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)口接管的截面積。(b)型結(jié)構(gòu)可作為氣體或蒸氣進(jìn)口的分布器。導(dǎo)流筒不僅用于進(jìn)口,也可用于出口。大型換熱器在高流速下工作時(shí),導(dǎo)流筒更顯示出其優(yōu)越性。
9、 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 旁流擋板與假管當(dāng)管束與殼體之間的間隙較大時(shí),會(huì)形成旁流,影響傳熱,其間應(yīng)設(shè)置旁流擋板,或稱密封條。當(dāng)管束中間由于管程分程隔板而引起較大的空隙時(shí),可裝一些假管,以減少旁流。假管是一些不穿過(guò)管板的管子,它們的一端或兩端都是封閉的,沒(méi)有流體通過(guò),不起換熱作用。3管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)步驟 拉桿和定距管折流板用拉桿和定距管連接在一起。拉桿的數(shù)量取決于殼體的直徑,從4根到10根,直徑1012mm。定距管直徑一般與換熱管相同。有時(shí)也可將折流板與拉桿焊在一起而不用定距管。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 管殼式換熱器國(guó)家已有系列標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可
10、能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,這樣可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和加工。但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化,當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時(shí),仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求自行設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)系列的換熱器。此處將扼要介紹這兩者設(shè)計(jì)計(jì)算的基本步驟。(1)非標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的一般設(shè)計(jì)步驟 了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能。 由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小,并確定第二種換熱流體的用量。 決定流體通入的空間。 計(jì)算流體的定性溫度,以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 初算有效平均溫差。一般先按逆流計(jì)算,然后再校核。 選取管徑和管內(nèi)流速。 計(jì)算傳熱系數(shù)K值,包括管程對(duì)流傳熱系數(shù)i和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)o的計(jì)算。由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、
11、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān),因此一般先假定一個(gè)殼程對(duì)流傳熱系數(shù),以計(jì)算K值,然后再作校核。 初估傳熱面積?？紤]安全系數(shù)和初估性質(zhì),因而常取實(shí)際傳熱面積是計(jì)算值的1.151.25倍。 選擇管長(zhǎng)L。 計(jì)算管數(shù)N。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 校核管內(nèi)流速,確定管程數(shù)。 畫出排管圖,確定殼徑D和殼程擋板形式及數(shù)量等。 校核殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。 校核有效平均溫差。 校核傳熱面積,應(yīng)有一定安全系數(shù),否則需重新設(shè)計(jì)。 計(jì)算流體流動(dòng)阻力,如阻力超過(guò)允許范圍,需調(diào)整設(shè)計(jì),直至滿意為止。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉(2)標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的選型設(shè)計(jì)步驟與(1)中相同; 選取經(jīng)驗(yàn)的傳熱系數(shù)K值。 計(jì)算傳
12、熱面積。 由標(biāo)準(zhǔn)系列選取換熱器的基本參數(shù)。 校核傳熱系數(shù),包括管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。假如核算的K值與原選的經(jīng)驗(yàn)值相差不大,就不再進(jìn)行校核;如果相差較大,則需重新假設(shè)K值并重復(fù)上述以下步驟。 校核有效平均溫差。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 校核傳熱面積,使其有一定安全系數(shù),一般安全系數(shù)取1.11.25,否則需重行設(shè)計(jì)。 計(jì)算流體流動(dòng)阻力,如超過(guò)允許范圍,需重選換熱器的基本參數(shù)再行計(jì)算。 從上述步驟來(lái)看,換熱器的傳熱設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試算的過(guò)程,有時(shí)要反復(fù)試算23次。所以,換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)際上帶有試差的性質(zhì)。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉傳熱計(jì)算主要公式傳熱計(jì)算是以傳
13、熱速率式(3-5)為核心展開的。 傳熱速率式: Q=KAtm (3-5) 式中,Q為傳熱速率,W;K為總傳熱系數(shù),W/(m2 );A為總傳熱面積,m2;tm為總平均溫差, 。 通過(guò)冷熱流體的熱量衡算方程式計(jì)算換熱器的傳熱速率(或熱負(fù)荷)Q。(1)傳熱速率(或熱負(fù)荷)Q 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 冷熱流體均無(wú)相變化,且忽略熱損失,則Q=mhCph(T1-T2)=mcCpc(t2-t1) (3-6) 流體有相變化,如飽和蒸汽冷凝,且冷凝液在飽和溫度下排出,則Q=mhr=mcCpc(t2-t1) (3-7)式中,m為流體的質(zhì)量流量,kg/h或kg/s;Cp為流體的平均定壓比熱容,kJ
14、/(kg );r為冷凝潛熱或汽化潛熱;T、t分別為熱、冷流體的溫度, ;下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流體;下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 (2)傳熱平均溫度差tm 恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差 tm=T-t (3-8) 變溫傳熱時(shí)的平均溫度差簡(jiǎn)單流(逆流和并流):tm=tm= (3-9)式中,tm為傳熱平均溫度差, ;tm為逆流或并流傳熱時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫度差, ;t 1,t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差, 。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉圖3-12各種換熱器的平均溫度差校正系數(shù) 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉復(fù)雜流(錯(cuò)流和折流
15、):tm=tm (3-10)式中,tm為按逆流計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫差, ;為溫差校正系數(shù),量綱為1,=f(P,R),P=R= (3-11)(3)溫差校正系數(shù)常根據(jù)P和R參數(shù),通過(guò)溫差校正系數(shù)圖查出(參考圖3-12),亦可按復(fù)雜流公式計(jì)算。該值實(shí)際上表示特定流動(dòng)形式在給定工況下接近逆流的程度。在設(shè)計(jì)中,除非出于必須降低壁溫的目的,否則總要求0.8,如果達(dá)不到上述要求,則應(yīng)改用其他流動(dòng)形式。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉(4)總傳熱系數(shù)K(以外表面積為基準(zhǔn))=+Rso+Rsi+(3-12)式中,K為總傳熱系數(shù),W/(m2 );i、o分別為傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2 );R
16、si、Rso分別為傳熱管內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻,m2 /W;di、do、dm分別為傳熱管內(nèi)徑、外徑及對(duì)數(shù)平均直徑,m;為傳熱管壁熱導(dǎo)率,W/(m );b為傳熱管壁厚,m。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉(5)傳熱膜系數(shù)(或給熱系數(shù))不同流動(dòng)狀態(tài)下,傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式不同,具體型式見(jiàn)表3-9。圖3-13殼程給熱系數(shù)與折流板圓缺的關(guān)系 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉值得說(shuō)明的是: 殼程當(dāng)量直徑殼程當(dāng)量直徑與換熱管的排列方式有關(guān):正方形排列de=(3-13)正三角形排列d e=(3-14)符號(hào)意義同前。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 a.殼程流體無(wú)相變傳熱對(duì)于裝有弓
17、形折流板的管殼式換熱器,殼程給熱系數(shù)的計(jì)算有貝爾(Bell)法、克恩(Ken)法、多諾霍(Donohue)法。其中貝爾法精度較高,但計(jì)算過(guò)程很麻煩。目前設(shè)計(jì)人員較為常用的是克恩法和多諾霍法。其中克恩法最為簡(jiǎn)單便利,即表3-8中的式。但該式只適用于Reo=2(103106),弓形折流板圓缺高度為直徑的25%的情況。若折流板割去的圓缺高度不是25%,而為其他值時(shí),則可用圖3-13先求出傳熱j H因子,再用式(3-15)求給熱系數(shù): 殼程給熱系數(shù) 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉o=jHPr1/3(3-15)b.殼程為飽和蒸汽冷凝工業(yè)上冷凝器以采用水平管束和豎直管束居多,且管表面液膜多為層流
18、。在這種情況下一般實(shí)測(cè)的傳熱膜系數(shù)多大于努塞爾特理論公式的計(jì)算值。德沃爾(Devore)基于努塞爾的理論公式和實(shí)測(cè)值,提出層流時(shí)的冷凝傳熱膜系數(shù)計(jì)算式如下:(a)水平管束外冷凝蒸汽在水平管外冷凝,其冷凝液膜的流動(dòng)一 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉般為層流(Re2100) 或(3-16)式中,*為量綱為1的冷凝傳熱膜系數(shù);o為管外冷凝傳熱膜系數(shù),W/(m2 )。Re=M= (3-17) 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉式中,m為冷凝液量,kg/s;L為傳熱管長(zhǎng),m;ns為當(dāng)量管數(shù),與傳熱管布置方式及總管數(shù)有關(guān),可用下式求得:ns=(3-18)式中,N T為傳熱管的總根數(shù)。(b)
19、豎直管束外冷凝與單根豎直管外冷凝相同。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉(3-19)Re=M= (3-20) (3-21) 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉對(duì)于底部已達(dá)湍流狀態(tài)的豎壁冷凝換熱,其沿整個(gè)壁面的平均傳熱膜系數(shù)可由下式求取:=+(3-22)式中,為層流段的平均傳熱膜系數(shù);為湍流段的平均傳熱膜系數(shù);xc為由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界高度;L為豎壁總高度;為沿整個(gè)豎壁的平均傳熱膜系數(shù)。式(3-16)和式(3-19)僅適用于液膜沿管壁呈層流流動(dòng),即要求Re=4 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉M/500);nc為橫過(guò)管束中心線的管數(shù),可按式(3-2)及式(3-3)計(jì)算;B
20、為折流板間距,m;D為殼體直徑,m;NB為折流板數(shù)目;uo為按殼程最大流通截面積SoSo=B(D-ncdo)計(jì)算的流速,m/s。管壁與殼壁溫度的核算 有些情況下,傳熱膜系數(shù)與壁溫有關(guān),這種情況下,計(jì)算傳熱膜系數(shù)需先假設(shè)壁溫,待求得傳熱膜系數(shù)后,再核算壁溫。另外,計(jì)算溫差 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉應(yīng)力,檢驗(yàn)所選換熱器的型式是否合適,是否需要加設(shè)溫度補(bǔ)償裝置等均需核算壁溫。(1)傳熱管壁溫度 傳熱管壁兩側(cè)的壁面溫度以熱流體走殼程,冷流體走管程為例,對(duì)于定態(tài)傳熱過(guò)程,若忽略傳熱管間壁兩側(cè)污垢熱阻,則Q= hAh(Tm-Tw)=cAc(tw-tm)=oAo(Tm-Tw)=iAi(tw-
21、tm)(3-27) 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉式中,Q為換熱器熱負(fù)荷,W;Tm為熱流體的平均溫度, ;Tw為熱流體側(cè)的管壁平均溫度, ;tm為冷流體的平均溫度, ;tw為冷流體側(cè)的管壁平均溫度, ;h為熱流體側(cè)的傳熱膜系數(shù),W/(m2 );c為冷流體側(cè)的傳熱膜系數(shù),W/(m2 );Ah為熱流體側(cè)的傳熱面積,m2;Ac為冷流體側(cè)的傳熱面積,m2。其余符號(hào)意義同前。將式(3-19)整理得: 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉Tw=Tm-Q/hAh, tw=tm+Q/cAc(3-28)考慮兩側(cè)污垢熱阻,則(3-29)式中,R h、Rc分別為熱流體和冷流體側(cè)的污垢熱阻,(m2 )/
22、W。其余符號(hào)意義同前。 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉 傳熱管壁溫度一般情況下,管壁溫度可取為:t= (3-30)當(dāng)管壁熱阻很小,可忽略不計(jì)時(shí),可依下式計(jì)算管壁溫度t= (3-31) 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉關(guān)于式(3-19)式(3-23)中的Tm和tm與定性溫度有區(qū)別,其規(guī)定如下:a.液體平均溫度(過(guò)渡流及湍流)Tm=0.4T1+0.6T2, tm=0.4t2+0.6t1(3-32)b.液體(層流階段)及氣體的平均溫度T m=,tm= (3-33) 湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院譚 志 偉式中符號(hào)意義同前。(2)殼體壁溫殼體壁溫的計(jì)算方法與傳熱管壁溫的計(jì)算方法類似。當(dāng)殼體外部有良好的保溫,或殼程流體接近環(huán)境溫度,或傳熱條件使殼體壁溫接近介質(zhì)溫度時(shí),則殼體壁溫可取殼程流體的平均溫度。
換熱裝置的工藝設(shè)計(jì)
