برج خنک کن دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیعی در تماس آب با هوا، عمل تبخیر را آسان نموده و در نتیجه باعث خنک شدن سریع آب می گردد.

عمل خنک شدن آب در برجهای خنک کن، در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر آب انجام می گیرد. در واقع مقدار کمی از آب در گردش بخار می شود و سبب خنک شدن آب می گردد. اختلاف فشار بخار آب بین سطح آب و هوا باعث تبخیر می شود. این اختلاف بستگی به دمای آب و میزان رطوبت نسبی هوا دارد.

مقدار گرمای که به وسیله مایعی جذب یا دفع می شود از رابطه زیر بدست می آید :

E=W×S×T

در رابطه بالا:
E :گرمای دفع یا جذب شده بر حسب BTU/hr یا CAL/hr
W :دبی مایع خنک شونده بر حسب lb/hr
S : گرمای ویژه مایع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu
T :کاهش دمای مایعD خنک شونده بر حسب f

در حالی که عمل خنک شدن از طریق تبخیر انجام می گیرد گرمای نهان تبخیر از دست داده شده باید به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرمای نهان تبخیر در دبی سیال تبخیر شده .
مقدار تبخیر  به سطح بر خورد آب با هوا و هم چنین شدت جریان هوا بستگی دارد. برای اینکه حداکثر بهره برداری از برج های خنک کن دارای آکنده از نوع splash packing صورت گیرد، آب به صورت قطره های در سطوح برج پخش می شود تا سطح وسیعی بوجود آید البته برای این منظور می توان از آکنه های نوع film packing نیز استفاده کرد.
جریان هوا در برج به صورت کشش طبیعی با استفاده از دودکش های هذلولی شکل یا کشش مکانیکی بوسیله بادبزن های مناسب در جهت مخالف آب ( counter-flow) و یا به طور متقاطع (cross-flow) با آن به جریان می افتد.

سیستم برج خنک کننده : در سیستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور می کند و با هوا تماس می یابد. در برج های خنک کننده با کشش طبیعی، پوسته خارجی برج از بتن مسلح ساخته شده ودر روی پایه ها تکیه دارد. هوا از قسمت پائین وارد برج خنک کننده می شود و به طرف بالا جریان می یابد و از دهانه بالای برج خارج می گردد. انواع دیگری از برج های خنک کننده که از چوب و سایر مصالح ساخته می شود نیز وجود دارد. در برج های خنک کننده با کشش طبیعی هوا شکل برج طوری طراحی می شود که جریان سریع هوا در داخل برج بوجود آید.
آب گرم از کندانسور در ارتفاع 10 تا 15 متر بالاتر از سطح استخر به سیستم پخش کننده آب وارد می شود. در برج های قدیمی تر صفحه ای که آب خروجی از کندانسور به آن ریخته می شود دارای سوراخ های منظمی در قسمت پائین است که آب از داخل این سوراخ ها به فنجان های زیرین می ریزد. این فنجان ها باعث پاشش آب و تبدیل آن ها به قطرات کوچک می شوند. یک سیستم خیلی جدید برای پخش آب در برج خنک کننده بکار بردن لوله هایی است که در سطح بالای آن شیپوره هایی برای پاشش آب تعبیه شده است.

تبادل حرارت بین هوای بالارونده از برج و آبی که از برج سرازیر است با تغییر حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بین آب و هوا انجام می شود. سهم این قسمت از تبادل حرارتی خیلی کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخیر مقدار کمی آب که پیوسته همراه هوا می باشد، انجام می شود. در اثر این عمل مقدار زیادی گرما از آب سرازیر شده در برج خنک کننده ( بستگی به مقدار آبی که تبخیر شده است) به هوا منتقل می گردد(Evaporating loss). ضمناً مقداری از قطرات آب بوسیله هوا بخارج از برج پراکنده می شود(Windage loss). برای جلوگیری از خروج قطرات آب یک شبکه چوب در اطراف برج و حدود 3 متر بالاتر از توده تخته ها قرار دارد. تبخیر آب نیز باعث افزایش غلظت مواد محلول و معلق آب در گردش می شود که برای جلوگیری از افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداری از آب در حال گردش را تخلیه می کنند که این آب در صنعت به زیر آب (Blow down) معروف است.  کمبود آب در سیستم برج خنک کننده باید از منبع خارجی جبران شود که به آن، آب تکمیلی یا آب جبرانی (Makeup) گویند. برای این منظور در صورت امکان باید از آب رودخانه استفاده کرد یا فاضلاب ها را تا حد امکان صاف و تصفیه کرده و استفاده نمود.

هنگامی که از نظر فضای ساختمان برج خنک کننده محدودیتی وجود داشته باشد ظرفیت برج خنک کننده راتا حد امکان با استفاده از بادبزن های مخصوص و بزرگی اضافه می نمایند. این بادبزن ها مقدار عبورهوای خنک کننده در داخل برج را زیاد می نماید.

عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده

عوامل مؤثر در طراحی برج های خنک کننده را به طور خلاصه می توان بصورت زیر بیان کرد:

1. میزان افت درجه حرارت (اختلاف دمای ورودی وخروجی برج)

2. اختلاف بین درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا

3. دمای مرطوب محیط : اصولاً خنک کردن آب زیر این دما غیر ممکن است

4. شدت جریان آب

5. شدت جریان هوا

6. نوع آکنه های برج

7. روش پخش آب

به تجربه ثابت شده است که برای هر 10 درجه فارنهایت افت دما در برج خنک کننده میزان تبخیر در حدود یک درصد کل آب در حال گردش می باشد. چون نمک های کلرور حلالیت زیادی دارند غلظت یون کلر در آب ورودی به برج وآب در حال گردش راهنمای بسیار خوبی برای تعیین غلظت بوده و بنابراین همیشه باید آن را بازدید و بررسی نمود.
افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ایجاد اشکال می نماید که برای جلوگیری از افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداری از آب در حال گردش را تخلیه می کنند که این آب در صنعت به زیر آب (Blow down) معروف است.
مقدار آب برج هم چنین ممکن است تصادفی یا بوسیله باد تقلیل یابد. اصولاً در برج های خنک کننده مقداری آب به صورت گرد درآمده و توسط باد یا کشش از برج خارج می شود.

مقدار تخلیه لازم در یرج برای کنترل مواد محلول و معلق مجاز را می توان از رابطه زیر بدست آورد:
M=(B+W)*C
که در رابطه فوق
B : مقدار زیر آب بر حسب gal/hr یا m3/hr
E : مقدار آب تبخیر شده بر حسب gal/hr یا m3/hr
C : ضریب غلطت پیشنهاد شده برای برج
W : مقدار آبی که توسط باد خارج می شود بر حسب gal/hr یا m3/hr

مقدار آبی که باد همراه خود از برج خارج می سازد در رابطه بالا منفی است، زیرا آب مواد محلول و معلق را نیز با خود می برد. بنابراین تاثیر در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد.

مقدار آب لازم جهت آب کسری برج از رابطه زیر بدست آورد :

MAKE UP = E +B + W