V hladilnem stolpu se vroča, navlažena voda enakomerno porazdeli prek namenskega sistema za distribucijo vode, ki izmenjuje toploto s suhim zrakom v stolpu. Ta proces vključuje pretok molekul vode z visoko-temperaturo proti zraku z nizkim{2}}tlakom, ki ga spremlja neposredni prenos toplote-v-vodo in prenos toplote izhlapevanja. To učinkovito odvaja odpadno toploto in hladi vodo.
Oglejmo si podrobneje princip hlajenja v protitočnem krožnem hladilnem stolpu. Prvič, vroča voda je pod pritiskom vodne črpalke in dovedena skozi vrsto cevi in šob v sistem za distribucijo vode hladilnega stolpa. Tukaj majhne luknje v ceveh za distribucijo vode enakomerno porazdelijo vročo vodo v polnilo. Suh zrak z nizko-vlažnostjo nato vstopi v stolp skozi rešetko za vstop zraka na dnu, ki jo poganja ventilator. Ko vroča voda teče skozi polnilo, tvori vodni film, ki izmenjuje toploto z zrakom. Na tej stopnji se vroč, navlažen zrak črpa z vrha stolpa, medtem ko hladilna voda kaplja v spodnji bazen in se nato skozi odvodno cev vrne v glavno enoto.
Pomembno je omeniti, da je zrak, ki vstopa v stolp, običajno suh in nizke temperature. V tem okolju obstaja velika razlika v koncentraciji vodnih molekul in kinetičnem tlaku med vodo in zrakom. Ko ventilator deluje, statični tlak v stolpu prisili molekule vode, da nenehno izhlapevajo v zrak in jih pretvorijo v vodno paro. S tem se zmanjša povprečna kinetična energija preostalih vodnih molekul, s čimer se zniža temperatura krožeče vode.
Poleg tega na proces hlajenja z izhlapevanjem ne vpliva, ali je temperatura zraka (tj. temperatura suhega termometra) višja ali nižja od temperature vode. Dokler molekule vode še naprej izhlapevajo v zrak, se bo temperatura vode še naprej zniževala. Vendar se je treba zavedati, da izhlapevanje vode iz zraka ni dokončno. Ko zrak v stiku z vodo doseže nasičenost, je nadaljnje izhlapevanje nemogoče in doseže se dinamično ravnovesje. Na tej točki je število molekul vode, ki izhlapijo, enako številu molekul, ki se vrnejo iz zraka v vodo, temperatura vode pa ostane konstantna. Bolj ko je torej zrak v stiku z vodo suh, lažje pride do izhlapevanja in s tem lažjega znižanja temperature vode.
