空气冷却塔也是一种混合式换热器。为了使冷却水与空气充分接触、强烈混合，以增大传热面积，强化传热，通常采用的是“填料塔”或“筛板塔”。也有用空心喷淋塔的。
填料塔是钢制圆形容器，塔内充有填料（瓷环、或塑料环等）。冷却水自塔顶喷淋下来，与自下而上流动的空气相混合，进行热、质交换。空气把热量传给冷却水，使本身温度降低，水温升高。为防止空气带出水滴，在塔的上部一般还装有拉西哥环（或不锈钢丝网）填料分离器（亦称捕集层）以及机械水分离器（惯性分离）。由喷淋装置喷出的冷却水经分配器沿填料层向下流动，在填料层每隔一定距离还设有再分配水的溢流圈，不致使水直接沿容器壁下流而影响传热效果。温度升高了的冷却水从下部引出，送往水冷却塔或放掉（对于开式系统），降温后的空气自塔顶排出送至空分塔或分子筛吸附器。填料塔的缺点是填料易被水垢堵塞，并且将填料结成大块，难以清洗和更换。
筛板塔与精馏塔的筛板塔类似，不过塔板数较少（一般为5块左右），筛孔直径和孔间距较大（孔径约5mm，孔间距约9mm）。冷却水自顶部经喷淋装置喷出，沿塔板经筛孔逐层下流，空气自塔底逆流穿过筛孔，鼓泡上升。气液两相在筛板上剧烈运动，形成泡沫层，增加了气液的接触面积和扰动程度，使气液能进行良好的热、质传递，效果比填料塔好。
空心塔塔内既无填料，也没有筛板。冷却水经喷淋装置分层向下喷淋，空气自下而上流动，气液直接混合。它比填料塔和筛板塔简单，尺寸小，阻力也小，冷却效果较好。空心塔对喷淋装置和水质要求较高，喷淋出来的水必须保证得到良好的雾化，使气液能够充分接触。
目前我国大型空分设备的空气冷却塔采用上段为填料塔，装新型塑料环；下段为筛板塔（孔径12mm，间距24mm），取得较好的效果。顶部的传热温差只有0.5℃，并彻底解决了结垢的问题。
也有将空分设备的氮水预冷器中的空气冷却塔做成非混合式的（管式），将它和空压机末段冷却器联在一起。例如法国的6500m³/h空分设备的空气冷却塔。